双馈风力发电机转轴静强度及疲劳校核分析

吴 冰，王建良

(1.湖南铁道职业技术学院，株洲 412001；2.中国中车株洲电机有限公司，株洲 412001)

0 引 言

转轴材料疲劳性能试验的设计思路、试验数据及试验数据分析已在参考文献[3]中有详细介绍，本文是在转轴静强度及疲劳校核之前的建模的基础上，对电机转轴静强度及疲劳进行校核分析。

1 转轴结构静强度校核评判

基于合理的极限载荷工况下的应力计算结果，可用FKM(德国机械工程研究委员会)规范或其他强度评判准则进行转轴结构静强度校核和评判，给出结构的安全系数。如果应力结果低于屈服强度75%以下，一般可认定为静强度可靠，不会发生失效破坏。

转轴材料为34CrNiMo6，其材料性能如表1所示。由表1可知，转轴的屈服强度大于600 MPa。在低电压穿越时，转轴的最大应力为213.56 MPa，低于转轴屈服强度75%以下，可认为转轴不会发生失效破坏。

表1 转轴的材料性能

2 疲劳校核分析

疲劳分析中，一般根据构件表面的热处理、粗糙度、温度以及结构尺寸效应等影响因素，对材料原有的S-N曲线进行修正。同时计算不同工况下的应力幅数值，采用雨流计数法将应力幅数值、平均应力大小以及应力幅的循环次数存储到矩阵中，再采用线性损伤Miner准则进行损伤累积，计算出对应的疲劳结果。

在本项目中的转轴疲劳校核中，已通过转轴材料疲劳性能试验，得到转轴材料的S-N曲线，如见图1所示。

图1 转轴材料34CrNiMo6的S-N曲线

转轴的疲劳强度为403 MPa左右，同时转轴的应力幅值较低(最大106.87 MPa)，低于疲劳强度数值，因而整个转轴的疲劳寿命将是无限寿命。

转轴的疲劳校核通过Fatigue tool模块进行计算。如图2所示，疲劳强度因子取0.8，循环特征R取0，平均应力修正理论取Goodman，循环次数为107。

图2 转轴疲劳校核参数选取

转轴设计无限寿命为107，则得到的疲劳安全系数(Saftey factor)如图3所示。可以看出，转轴最小疲劳安全系数为2.56，大于中国船级社《风力发电机组规范》(2008)中规定的1.1，符合设计要求。

图3 转轴疲劳安全系数云图

3 工艺结构对转轴应力的影响分析

研究不同的工艺结构对转轴应力的影响，主要从过渡圆角或退刀槽的尺寸形状进行比较分析。

对转轴第2台阶过渡处的倒角进行变动，分别采用不同半径的圆角或退刀槽进行分析，如图4所示。

图4 不同倒角或退刀槽对应的应力分布

从图4可以看出，当过渡圆角半径由原来的R=0.5 mm增大到R=1.5 mm后，应力减小了约27 MPa。当改为图4(b)中A型退刀槽后，虽然轴颈有所减小(单边减小了0.4 mm)，但由于圆角过渡实际为R=2.5 mm，所以应力比R=1.5 mm的圆角还要小。图4(c)中A型退刀槽实际的圆角半径为R=1 mm，应力比R=1.5 mm时要大。

通过以上3种倒角分析可以得出，转轴在相邻两个轴段的台阶过渡处的应力大小，主要取决于形状系数R/t值的大小，其中R为过渡圆角半径，t为相邻两轴段单边高度差。因此，转轴在阶梯过渡处应尽量增大过渡圆角，而轴颈稍微缩小对转轴应力无明显影响。原始设计的过渡圆角半径为R=0.5 mm，轴径尺寸从φ173 mm跨越到φ180 mm，单边高度差为t=3.5 mm，形状系数R/t=0.5/3.5=0.143，其数值很小，导致应力较为集中。若如图4(a)中R=1.5 mm，则形状系数R/t=1.5/3.5=0.429，应力明显减小。此处过渡圆角采用R=1.5 mm或图4(b)中的A型退刀槽较为合理。对于采用直接圆角R过渡还是相同圆角R的A型退刀槽，考虑到直接圆角R过渡更容易引起与之配合的部件在过渡处干涉(部件需要倒角)以及加工工艺，A型退刀槽应是更合理的选择。

4 材料对转轴疲劳强度的影响分析

由前面的分析可以看出，发电机在低电压穿越时(2倍额定转矩)，转轴最大应力为213.56 MPa，远低于转轴材料34CrNiMo6的屈服强度600 MPa。常用的转轴材料如35CrMo或42CrMo，其屈服强度分别为≥450 MPa或≥500 MPa[1]，也大于转轴的最大应力。因此，转轴材料选用35CrMo或42CrMo均可以满足发电机低电压穿越的要求。至于转轴的疲劳安全系数，在Workbench默认的材料结构钢的S-N曲线的基础上，结合35CrMo或42CrMo与结构钢的屈服强度的比值，可近似推出35CrMo或42CrMo的S-N曲线(如图5和图6所示)，并以此得到其安全系数，如图7所示。

图5 35CrMo的S-N曲线

图6 42CrMo的S-N曲线

图7 转轴材料分别为35CrMo及42CrMo时的安全系数云图

由图7可以看出，采用35CrMo或42CrMo材料的转轴最小疲劳安全系数分别为1.97及2.18，均大于1.1，满足设计要求。因此，35CrMo和42CrMo也可作为转轴材料的一种选择，其中42CrMo要比35CrMo的强度稍大，但35CrMo比42CrMo焊接性能要好，更适合于焊筋轴。

5 结 语

从以上有限元分析结果来看，双馈风力发电机在低电压穿越情况下，其转轴的机械性能满足发电机运行的要求，包括其对不同类型的倒角对转轴性能的影响分析，均与传统的对转轴的理论计算结果相符，因此关于转轴的理论分析也是正确合理的。

通过上述静应力分析，我们明确电机转轴的应力水平和分布状况，找出潜在的危险部位，分析转轴的疲劳强度；通过静强度校核，明确电机转轴在不同载荷工况下的设计裕量和安全系数，验证转轴是否满足发电机低电压穿越的要求；通过疲劳强度校核，给出转轴的疲劳安全系数；对转轴的不同结构工艺进行比较分析，找出最优的工艺结构；比较分析不同材料对转轴疲劳强度的影响，找出性价比最优的转轴材料。同时，本文建立合理的电机转轴静应力仿真分析流程和疲劳校核仿真分析方法，为电机的科学合理设计提供了参考。