基于ANSYS Workbench的风力发电机传动轴静态分析

韦洪新,王智森,吴 云

(景德镇学院 机械电子工程学院，江西 景德镇 333000)

风能作为无污染的可再生能源在社会发展中起着越来越重要的作用[1]。风电同传统的水电和火电相比在技术和成本上存在较大的差距，因而对风电的研究需要国家大力支持。风力发电机是将风能转化为电能的主要设备，其性能好坏将影响风能转换为电能的效率以及使用寿命[2-3]。风力发电机的传动轴带动轮毂和齿轮箱，是风力发电机动力传动的关键传递部位，传动轴的性能直接影响风力发电机的稳定性和使用寿命，传动轴的研究对风力发电机的整体设计具有十分重要的意义。

1 传动轴输入扭矩的计算

风力发电机输入扭矩等于电机的输出扭矩(忽略传递损失)，即

(1)

式中:n为传动轴的转速；P为风力发电机功率，P=1 550 kW。

叶片直径为

(2)

式中：ρ为空气密度，ρ= 1.29 kg/m3;V为设计风速，V=12 m/s;P为风机功率,P= 1 550 kW;Cp为风能利用系数，Cp= 0.42[4]；η为风机效率，η=η1η2= 0.81(η1为传动时的效率，η2为发电机的效率)，代入式(2)可得风力发电机叶片直径D=87.34 m≈87 m。

在风力发电机叶轮叶片设计时有一个重要参数——尖速比。它是叶片顶部(叶尖)转动的线速度与风速的比值。风机转速在正常范围内时，叶尖速比越大，风力机效率越高。目前主流风力发电机组大多属于高速风力机，叶尖速比都大于2，尤其是大型高速风力机叶尖速比一般在 6～8，甚至更高。叶尖速比又影响叶片数的选取，关于叶尖速比与叶片个数的关系，如表1所示[5]。

表1 叶尖速比与叶片数的关系

设额定风速为10.3 m/s，根据表1选取风力发电机尖速比为7，叶片数为3，即叶片顶部旋转的圆周线速度是72.1m/s，根据角速度与线速度关系可得式(3)，即

(3)

式中：v为线速度，v=72.1 m/s；R为半径，R=43.5 m；代入上式可得传动轴n=15.8 r/min。

将得到的转速代入扭矩公式中，得到T=936.867 kN·m。

2 传动轴的受力分析

为了减少不必要的受力分析，我们假定传动轴受到的载荷均匀，忽略其摩擦力；此传动轴受到扭矩，自身的重力，还有两个轴承对传动轴的支持力，受力如图1所示。

图1 传动轴受力

由材料力学相关知识可知：

(4)

式中:T为扭矩，T=936.867 kN·m;R为外圆半径，R=550 mm;D为外圆直径，D=1 100 mm；α为内外径之比，α= 0.71。

代入式(4)得到τmax=274 MPa，传动轴材料为34CrNiMo6，最大屈服强度为600 MPa，计算最大应力为274 MPa远远小于材料最大屈服强度，故符合要求。

3 传动轴的有限元分析

3.1 几何模型的建立

ANSYS软件在处理结构力学等分析中具有强大的功能，但在几何模型的构建中相比于传统的三维建模软件较为繁琐[6]。三维建模中常用的软件有SolidWorks、UG、Pro E等，本文选择UG软件对风力发电机传动轴进行实体建模。在模型的构建中，保证强度和刚度的同时，忽略了与分析影响不大的细节，如小的倒角等[7]。

3.2 材料属性的设置

在做传动轴有限元分析前需要建立传动轴的三维模型以及对于传动轴的基本受力分析，确保所建立的模型没有干扰或不确定的区间，并使计算分析结果具有一定的准确性和可靠性，更符合实际情况。首先利用UG建立传动轴的三维模型，建立后选中三维模型，在文件中导出选择Parasoild文本文件即“.x_t”文件格式，然后将其导入ANSYS进行数据计算和分析。

点开ANSYS Workbench,将Transient Structural拖入到右侧的空白处，首先进行自定义材料属性设置。因要求传动轴需要有良好的综合力学性能，所以材料选择34CrNiMo6，材料的力学参数如表2所示。

表2 传动轴材料力学参数

将表2中的参数输入到workbench参数设置界面中，具体设置界面如图2所示。

图2 材料参数设置

将建立好的三维模型保存为.x_t格式，并将其导入到ANSYS Workbench中。再将导入的模型选择刚添加的34CrNiMo6材料，如图3所示。

图3 选择材料

3.3 网格划分

在ANSYS Workbench软件中，网格划分的好坏对传动轴的分析有重要影响，划分的依据主要有3个因素：节点的设置、单元尺寸和单元形状。自由网格划分是自动化程度最高的划分技术之一，它在面上可以生成四边形或三角形网格，在体上生成四面体网格。一般情况下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技术来自动控制网格的疏密和大小分布，也可以进行人工设置网格，故本次在划分技术中选择自由网格，设置单元大小为5.0 mm生成网格，在槽处设置单元大小为2.5 mm。共有65 451个单元，113 532个节点。然后等待生成网格，其传动轴的有限元模型如图4所示。

图4 传动轴的有限元模型

之后对传动轴模型施加载荷和约束时,应当遵循实际情况去建立,才能保证计算结果更精确。根据情况施加载荷和约束：传动轴与轴承接触的表面，施加的是圆柱面约束；主轴键槽，施加一个向下的力；传动轴表面施加载荷。这样的约束和施加载荷方式是符合实际情况的，最后求解，得到传动轴位移分布、应变分布和应力分布如图5～7所示。

图5 传动轴位移分布云图(单位：m)

从图5可知最大变形为0.055 mm，从图6和图7中可以看出，主轴应力最大值为274 MPa，34CrNiMo6材料的屈服强度应力为 600 MPa，抗拉强度应力为800 MPa，传动轴的最大应力远远小于材料的屈服极限应力值，即使考虑应力集中的情况，主轴强度依然满足要求。

图6 传动轴应变分布云图

图7 传动轴应力分布云图(单位：Pa)

4 结语

ANSYS Workbench软件是一款功能强大的有限元分析处理软件,通过软件对风力发电机传动轴进行结构处理，模拟仿真。在不改变整体性能的前提下，对传动轴的部分结构进行简化处理,最终求出位移和应力应变的大小。经过分析可知，传动轴危险截面发生在左端第一阶梯轴处。在后续结构设计中应重点考虑此处的变形和位移，同时传动轴的三维建模为后续其他计算分析,如模态学分析、优化设计等提供很好的参考。