风力发电机主轴的失效分析与有限元数值模拟
主轴是风力发电机组传动系统的核心部件之一,在服役过程中受到多种载荷作用,材料综合力学性能要求较高,一直是风电行业的研究重点。作为主要的传动部件,主轴一旦发生故障,将波及叶片、齿轮箱、塔筒等关键部件,甚至导致整个风电机组报废,造成巨大的经济损失。近年来,主轴断裂导致的风机失效事故频发,失效过程包含材料加工参数不合理,装配维护不到位等多方面诱因。综上,对风机主轴展开充分的失效分析,开展寿命预测工作,可有效减少和预防类似事故的再发生,进而为主轴的热处理、设计、运行环境的改进提供理论支撑与技术指导。某MW级风力发电机组主轴在服役约5年后发生断裂,通过材料分析测试手段对主轴材料及失效模式进行了分析,结合有限元计算结果综合讨论了主轴的失效机理,并校核了主轴的疲劳寿命。主要研究内容总结如下:（1）采用宏观观察、断口分析、金相组织观察、力学性能测试等手段对风力发电机主轴失效模式及材料的组织性能进行分析。主轴断面呈现典型的贝纹线特征,微观上存在疲劳条带形貌,主轴的失效模式是疲劳断裂。断口侧面存在明显的磨损痕迹,主轴与轴套内表面发生了微动磨损,造成了主轴表面的损伤,有利于疲劳源的形成;从材料层面分析了主轴产生疲劳开裂的影响因素,主轴表面的硬度偏低,容易产生表面损伤;主轴心部与表面组织和强度差异较大,说明主轴淬透性有待提高。（2）利用有限元分析软件ABAQUS探究了静载荷作用下主轴的应力分布情况并分析了主轴的振动特性。在相同边界条件下分别为主轴有限元模型赋予均匀的理想强度数据和实际沿主轴径向有差异的强度数据,计算得到运行中主轴的应力分布情况。两种情况下主轴最大应力位置均出现在主轴与轴套的接触面;实际强度数据情况下,主轴所受的应力水平较高,说明组织和强度的不均匀性导致材料在相同的载荷条件下产生的变形更大,导致主轴局部所受应力更大。对主轴进行了模态分析,重点分析了前6阶振型和固有频率,将主轴固有频率与叶轮转频范围对比,发现二者存在较大的间隔,主轴不会与叶轮发生共振。（3）利用FE-SAFE软件计算主轴的疲劳寿命。基于风机设计软件GH Bladed仿真得到的疲劳载荷时序编制等效疲劳载荷谱,根据相应规范对主轴材料的S-N曲线进行了修正,并基于Palmgren-Miner线性累积损伤理论,计算出主轴的疲劳寿命约为4.9年,最容易产生疲劳损伤的部位是轴套与主轴的接触面,与实际情况相符。
- 作者：
- 张越颖
- 学位授予单位：
- 北京有色金属研究总院
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2022年
- 导师姓名：
- 杨中元
- 中图分类号：
- TM315；TG115；TB115
- 关键词：
- 主轴；疲劳；失效分析；有限元
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