风电机组轴承对主机架强度的影响分析

能源的供给无疑是人类本世纪面临的最大挑战之一，而风能是一种清洁的可再生能源，全球风资源丰富，其中我国风电技术可开发量约5500GW。随着风电行业的技术进步，风力发电成本逐步降低，在经济性上逐渐能够与核能发电、水力发电展开竞争。风电企业利用好得到的政府政策支持，风力发电产业将能迎来前所未有的发展。随着风力发电技术的不断发展，风电机组的研究也取得了很大的成就，从最初的千瓦级风电机组到现在的兆瓦级风电机组，从最初的陆上机组到现在的海上机组，风电机组的大型化、创新性已经成为未来发展的趋势。风力发电机组在野外长时间经受各种极恶劣天气和非常复杂的风力交变载荷。对于大型机组，其质量的可靠性与成本的最低化显得尤为重要，因此技术人员更多采取了和有限元计算交互设计的方法，保证结构部件的强度满足要求，运行寿命满足要求。

主机架是风力发电机组中最关键和承载最复杂的部件之一，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风电机组正常稳定运行的关键因素，是风力发电机组结构设计的重点和难点。随着计算机及计算技术的飞速发展，特别是适合于复杂结构的有限元分析技术的日臻成熟和成功应用，极大改变传统的结构设计与分析方法。为此，风机标准如GL、DNV等均对部件强度问题有明确要求，对于如主机架等类似的复杂结构部件，推荐采用有限元方法对其进行强度分析，有限元法越来越多地应用于风机部件强度分析中。

轴承在风电机组上的主轴、齿轮箱、发电机、变桨机构、偏航机构等多部位都有装配，轴承故障在机组故障中占有很高的比例。风电机组的主轴系包括过渡段、主轴承以及密封定位零件等，其功能是将扭矩载荷传递给齿轮箱以及发电机，将其他载荷传递给支撑结构主机架。由于风机主轴承属于转动部件，且承受非常大的载荷，容易变形，因此，要求风轮主轴轴承必须有良好的极限和疲劳性能。轴承故障具有高度随机性、复杂性和非线性特征，其性能和质量在很大程度上影响着风力发电机组的运行情况。在设计和选用轴承的过程中，需要对轴承的性能和寿命进行分析，以便及时改进设计，合理选型，提高风力发电机组的可靠性，避免失效，降低成本。

本文讨论的轴承结构主要是双排滚子轴承支撑结构。首先看一下主轴承的结构形式以及与主机架的安装配合形式。如图1为主轴承结构图的横切图。轴承为内外两环，内部滚子为带锥度的近圆柱体，数量一般为90到100之间，内外两环之间设有保持架结构，主要为了保持滚子能均匀匀速滚动。图2 为主轴承3D结构示意图。

图1 主轴承结构图

图2 主轴承3D结构图

采用三维有限元计算方法可以很好地处理复杂的几何模型问题，按主机架的实际几何特征建立模型。以便计算所得的结果能较好反映实际问题，并能更详细和准确地反映真实应力的分布，得到不同位置的应力，从而为主机架的强度校核及改进主机架结构设计提供依据。

图3 主机架计算结构图

图4 主轴承结构简化结构

图4中为了更好的展示三者连接的结构形式，主机架和主轴承都被隐藏了一半。轴承被简化成仅有内外圈，轴承内的滚子使用ansys软件的link180单元进行模拟，由于轴承滚子在轴承内始终处于受压状态而不承受任何的拉力，所以单元属性被定义为只受压不受拉的状态。

图5 轴承滚子建模方式

在有限元计算中，圆锥滚子轴承的模拟通常采用简化滚子的方式，即保持轴承内圈的构造，将滚子用几根受压不受拉的杆单元替代，同时轴承内外圈采用 solid187 单元，这样的简化模拟出了轴承只传递压力的特点。目前，国内外风电厂家基本使用的这种建模方式建立轴承模型用于主机架的强度计算分析。

对模型加载弯矩载荷，并提取出模拟轴承滚子的link180杆单元的受力状态云图，如图6和图7所示。

图6 杆单元受压状态云图

图7 受力最大的杆单元应力云图

由图6可以看出，双排轴承受到弯矩作用时，每排轴承不是所有的滚子都受力且受到较大压力的滚子数量只有约十几个左右受力较大（本计算每排共有滚子104个）。同时可以看出，双排滚子的受力区域是相互对应的，及内圈上半部分主要受力时，外圈下半部分主要受力，左右方向亦是如此。由图7可以看出，用四个杆单元模拟的轴承滚子，只有最边缘的第一和第二根杆单元受压力，并且第一根杆单元承受了60%以上的载荷。轴承厂家的技术人员对主轴承的滚子进行模拟计算，计算结果认为滚子在1E+10Nmm以下的弯矩载荷作用下，轴承滚子表面的受力应该是基本均匀的，即四根杆单元所受的压力相差百分比应该不大。理由主要有以下两个原因：

1，轴承滚子的圆柱是带有锥度的，靠近轴承内部的圆截面要更大一些，采用这种设计一方面是为了满足滚子旋转的几何要求，另一方面，也是为了让轴承在受较大弯矩时，滚子与轴承内外圈的接触面积更合理一些。

2，轴承滚子安装时会有较大的预紧力，能到几百KN（具体数值没给出），滚子与内外圈的接触压强能有1500至2000MPa（数据来源于轴承厂家的主轴承计算分析报告）。所以，轴承在受到较大的弯矩状态下，滚子与内外圈之间依然保持紧压状态，不会脱开。

基于以上计算结果和轴承厂家给出的分析原因，我们把计算模型进行了改进，将模拟轴承滚子的四个杆单元的两端节点进行了6个方向的自由度耦合，即每个四个节点进行一次耦合，以便使模拟轴承滚子的表面的四个节点之间建立起联系。需要指出的是，虽然进行了6个方向的自由度耦合，但是由于杆单元只承受压力，所以这四个节点只会传导杆单元方向的载荷，而且只传导压力。计算结果如图8和图9所示。

 图8 改进模型杆单元受压状态云图

图9 改进模型受力最大的杆单元应力云图

对比图6和图8可以看出，图8中有更多的杆单元受到了压力。而从图9可以看出，受力最大的外侧杆单元所受的压力已经减少了一半左右，原来不受力的第三根杆单元也承受了10到15MPa的压力。改进后的模型，轴承滚子的受力范围在轴承的轴向和周向都有增加。虽然依然是最外侧的杆单元受力较大，但是整体看来，轴承滚子的受力情况趋于更均匀化了。轴承厂家在对轴承进行计算时，滚子表面的受力情况是按照均匀分布是计算的，这种方法的计算也更贴合轴承厂家的计算结果。

图10为不同轴承模拟方法的主机架计算应力结果，如图所示。

图10 不同轴承模拟方法的主机架计算应力结果

由图10可以看出，两个应力结果存在明显的区别，使用没有联系的杆单元计算出来的主机架应力值要大于使用有联系的杆单元的计算结果。出现这种情况的主要原因，是由于主机架前端轴承安装位置的整体刚度存在着巨大的差别，同时载荷在向主机架后端传导时的作用方式也不存在差别。后者的作用方式，更像是在主机架前端形成了一个圆环面端有相互联系的整体，向后端传导载荷时也更均布一些，所以应力分布也更均匀一些。

结论

1.主机架是风电机组的重要部件，必须保证主机架设计的结构强度和疲劳强度的安全，而计算结果可靠度与轴承建模密切相关。

2.对双排滚子轴承进行模拟时，使用几根link10受压不受拉的杆单元模拟轴承滚子是可靠的，但是几根杆单元之间应建立联系，以便更真实的模拟滚子表面均匀受力的情况。

3.使用没有联系的杆单元模拟轴承滚子，主机架的计算结果会造成部分失真，不同方法模拟轴承滚子，对主机架的有限元强度计算会带来较大影响。