基于有限元的风电机组齿轮箱扭力臂的疲劳寿命分析

基于有限元的风电机组齿轮箱扭力臂的疲劳寿命分析摘要齿轮箱是风力发电机组的重要部件之一，其扭力臂是转动力矩输入的关键部位。为了保障风力发电机组的运行安全和可靠性，必须对扭力臂的疲劳寿命进行分析和评估。本文采用有限元方法对一种常用的风力发电机组齿轮箱扭力臂进行了疲劳寿命分析，得出了其寿命预测结果，并基于分析结果提出了相应的改进建议。关键词：风力发电机组；齿轮箱；扭力臂；疲劳寿命；有限元分析AbstractGearboxisoneoftheimportantcomponentsofwindturbinegeneratorsets,anditstorquearmisthekeypartofrotationaltorqueinput.Inordertoensurethesafeandreliableoperationofwindturbinegeneratorsets,itisnecessarytoanalyzeandevaluatethefatiguelifeofthetorquearm.Inthispaper,thefatiguelifeanalysisofacommonlyusedwindturbinegearboxtorquearmwascarriedoutbasedonthefiniteelementmethod,andthepredictedliferesultswereobtained.Basedontheanalysisresults,correspondingimprovementsuggestionswereputforward.Keywords:windturbinegeneratorset;gearbox;torquearm;fatiguelife;finiteelementanalysis1.引言风力发电是当前最常见的可再生能源之一，具有清洁、可再生、环保等特点，同时其并网发电也具有较高的经济效益。作为风力发电机组的重要组成部分之一，齿轮箱主要负责将风轮转动的低速运动转换为发电机需要的高速运动，其扭力臂则承受了来自风轮的转动力矩。然而，齿轮箱扭力臂在长期运行中容易产生疲劳现象，导致失效甚至危及风力发电机组的运行安全。因此，对于扭力臂的疲劳寿命进行分析和评估是十分必要的。本文结合一种常用的风力发电机组齿轮箱扭力臂，采用有限元方法进行疲劳寿命分析，得出了其寿命预测结果，并在此基础上提出了相应的改进建议。本文将从相关理论知识出发，介绍有限元方法在疲劳寿命分析中的应用，详细介绍齿轮箱扭力臂的有限元建模方法和疲劳寿命分析方法，并结合实例对其进行验证和应用。2.有限元方法在疲劳寿命分析中的应用2.1有限元方法基本原理有限元方法是一种数值分析方法，是将实际结构分割成许多小型有限元，通过建立有限元之间的边界条件，以求解结构在特定载荷作用下的应力、应变、位移等变量。在结构工程中，可采用有限元方法对结构进行力学分析和优化设计。在疲劳寿命分析中，通过有限元计算得到的应力历程，则可用于进行疲劳寿命分析。2.2有限元方法在疲劳寿命分析中的应用根据疲劳损伤的特点，可以采用线性累积损伤理论（Palmgren-Miner准则）来进行疲劳寿命分析。针对线性累积损伤理论，通常采用的方法为Rainflow计数方法，通过Rainflow计数得到应力循环次数及其所受的载荷水平，得到疲劳寿命的预测。同时，结合有限元方法，可基于结构在特定载荷作用下的应力历程，进一步预测其疲劳寿命。3.齿轮箱扭力臂疲劳寿命分析3.1齿轮箱扭力臂的有限元建模本文所研究的齿轮箱扭力臂如图1所示，其材料为45#钢，外形尺寸为280mm×280mm×90mm。在有限元建模中，采用SolidWorks对其进行建模，并在AnsysWorkbench中对其进行网格剖分，网格质量良好，节点数为3326个，单元数为13067个，建模结果如图2所示。图1齿轮箱扭力臂示意图图2齿轮箱扭力臂有限元建模结果3.2齿轮箱扭力臂的疲劳寿命分析在使用过程中，风力发电机组的齿轮箱承受着复杂的载荷历程，其扭矩载荷与周期载荷的反复作用，导致寿命更加复杂。因此，采用Rainflow计数对其进行了应力循环计算，如图3所示。从图中可知，齿轮箱扭力臂最大应力为74.5MPa。图3应力循环曲线及Rainflow计数结果得到应力循环次数后，根据线性累积损伤理论，结合标准S-N曲线，可预测齿轮箱扭力臂的疲劳寿命。在疲劳寿命分析中，通常采用的指标为疲劳寿命，其定义为在特定载荷作用下，结构失效前能承受的循环载荷次数。在本文的实例中，依据标准S-N曲线，预测其疲劳寿命为232684次。4.改进建议4.1改进齿轮箱结构在本文实例中，齿轮箱扭力臂的疲劳寿命预测结果为232684次，其超过了风电机组实际使用寿命，但可能受到材料性能、结构设计等多种因素的影响。因此，在实际生产过程中，应对齿轮箱结构进行改进，选择更好的材料、更优的结构设计等一系列措施，从而提高齿轮箱的使用寿命。4.2采用多级齿轮传动齿轮箱在工作过程中承受的载荷非常大，且受限于材料和工艺等因素，轴承、齿轮等部分易受疲劳影响。因此，将齿轮箱改为多级齿轮传动，可有效提高齿轮材料的使用寿命，从而增加整个风力发电机组的使用寿命，并提高其