风电主轴轴承试验机悬臂梁静力学分析与结构优化设计

时间：2022-07-21 22:07:33

关键字：静力学分析变形量优化设计

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[导读]摘要:集成应用solidworks三维软件和Ansys有限元分析软件,建立了风电主轴轴承试验机悬臂梁的三维模型和静力学分析模型,通过有限元计算得到了悬臂梁在试验加载力作用下的变形、应力和应变分布,根据相应分析结果提出了机构优化方案,改善了该悬臂梁的静态力学性能,为保证轴承运行的稳定性提供了技术手段支持。

引言

在风力发电机组中,主传动链中的主轴承支撑主轴,并通过轴承座将风轮作用力传递给机架。它的性能直接影响整机的抗振性和寿命。大型风力发电机组的主轴承受力状况复杂,主轴承的试验通过主轴承试验机开展。

为了了解轴承进行极限载荷加载时,试验机悬臂梁的变形、应力和应变分布情况对轴承运行的影响,有必要通过有限元计算对试验机悬臂梁进行相应的力学分析,明确其应力、应变状况。

以试验机悬臂梁为对象,综合利用solidworks三维软件和Ansys分析软件对其进行静力学分析,并以此为基础进行相应的结构优化设计,以减少悬臂梁的变形,进而提高试验加载过程的稳定性。

1轴承试验机悬臂梁的实体建模

以国内某公司的主轴承试验机为研究对象,试验机由主机、润滑系统、液压比例加载系统、电气测控系统四部分组成,用于模拟主轴轴承的工况对其进行磨合试验、性能试验、耐久性试验。

为便于被试轴承的安装和拆卸,主机采用悬臂梁结构。试验机工作结构图如图1所示。

被测轴承和左边陪试轴承中心线的距离为786mm,被测轴承的宽度为272mm,由于测试轴承所在的套轴与主轴采用周向螺栓连接固定在一起,可将两者简化为一实体。本文采用solidworks对悬臂梁进行建模,建立的模型如图2所示。将建好的模型在solidworks中另存为*Ⅹx格式,然后运行Ansys,打开文件中的imtorx,选择pAPA,打开已保存的*Ⅹx目录文件,将相应的文件导入到Ansys中。

2有限元模型的建立

在Ansys中定义单元类为solidl86,该单元是20节点的简单三维实体结构,每个节点有3个沿着x、y、Z方向平移的自由度。该单元类型完全可以满足计算精度的要求。

给定悬臂梁的材质为40Cr,密度为7R00k9/m3,弹性模量为2.l×l0llpg,泊松比为0.3,由于悬臂梁中的线面较多,为了更好地划分网格,在solidworks中先将悬臂梁分割成规则的实体部分,然后在Ansys中通过布尔运算中的9lue粘接操作。网格划分后的有限元模型如图3所示。

3施加载荷约束和静力分析

主轴轴承试验机径向加载能力为1500kN,按此载荷对主轴与被测轴承接触的上表面进行加载。经过计算,在主轴悬臂梁与被测轴承接触的上表面径向施加5.8Mpg,把悬臂梁和陪试轴承接触的部分规定为全约束,边界条件如图4所示。

图5是静力分析后总体变形结果,如图所示,其最大变形位于主轴与被测轴承接触部分的左侧,最大变形值为R4.8um。图6是应力分布图,最大应力为0.386×108pg,即38.6Mpg,而40Cr的抗拉强度为1080Mpg,屈服强度为850Mpg,其应力值远远小于材料的内应力值,所以不存在结构的破坏性问题。

4悬臂梁优化设计

由上述分析可知,在满足使用要求的情况下,有必要对悬臂梁进行相应的结构优化设计,在接口条件不变的情况下,优化措施如下:(1)对悬臂梁中心孔处采取通孔处理,直径大小采用原来最左端腔处的直径:(2)对悬臂梁固定端接触陪试轴承这一侧的圆环,外径不变,内径减小,使圆环加厚。优化后的结构如图7所示。