风力发电机主轴设计方案

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风力发电机组设计方案

风力发电机组设计方案近年来，随着气候变化问题的日益严重和能源需求的增长，可再生能源逐渐受到人们的关注和重视。

作为一种清洁、可持续的能源形式，风能被广泛应用于电力生成领域。

本文将提出一种风力发电机组设计方案，以满足不同环境和能源需求的要求。

一、设计目标风力发电机组设计的目标是提高能量利用效率、降低成本、提高可靠性和可维护性。

通过优化设计方案，确保发电机组在不同风速条件下都能稳定运行，并尽可能减少对环境的影响。

二、设计要素1. 风轮设计风轮是风力发电机组的核心部件，其设计关乎能量转换的效率。

为了提高风轮的效率，可以采用复合材料制造，并根据实际风速情况选择合适的风轮直径和叶片数目。

同时，考虑到强风等恶劣气象条件下的运行稳定性，应加强风轮的结构强度和抗风能力。

2. 发电机选择发电机是将风能转化为电能的关键设备。

根据预期的发电功率和输出电压要求，选择适当的发电机类型。

常见的风力发电机组发电机类型有永磁发电机和感应式发电机，可以根据具体需求作出选择，并确保其效率高、体积小、重量轻。

3. 控制系统设计风力发电机组的控制系统对风轮转速和发电功率进行实时监测和调节。

通过合理设计控制算法，可以使发电机组在变化的风速条件下实现最佳运行状态，提高发电效率。

同时，设计控制系统要考虑到故障检测和保护功能，确保发电机组的安全运行。

4. 塔架与基础设计风力发电机组需要稳定地安装在塔架上，因此塔架设计要考虑结构强度和稳定性。

根据实际场地条件，选择适当的塔架高度和材料，以确保风力发电机组在强风等恶劣气象条件下仍能稳定运行。

同时，基础设计要进行地质勘察和承载力计算，确保塔架稳固地安装在地面或水下。

三、设计流程1. 需求分析在设计风力发电机组之前，需要了解用户的能源需求和环境条件。

根据需求分析，确定设计的发电容量和使用场所，以便选择合适的设备和参数。

2. 设计方案制定根据需求分析结果，制定合理的设计方案。

包括风轮设计、发电机选择、控制系统设计和塔架基础设计等。

垂直轴风力发电机主轴结构优化设计

风力发电机具有结构简单、能捕获任意方向风能等众多优点圈，是
在垂直轴风力发电机组中，主轴是安装轮辐和叶片的部件。把
近年来在内陆和近城区大力研发的一种风力发电机。以该课题组叶片等部件放置于一定的高度处运行，以捕获足够的风能，使发电
自主设计的垂直轴风力发电机主轴为研究对象。详细分析了主轴机按照一定的速度旋转日。主轴工作环境恶劣，在遭受台风成暴风袭的结构和受力情况，尤其是风机所受的风载荷，使用ＡＮＳＹＳ的击时，主轴需要有足够的强度和刚度，以防止风机组发生破坏。因
过联轴器与发电机连接，在主轴的上半部分安装轮辐部件，下半部离和轮辐跨距进行了优化设计，并对优化结果进行了分析。
分安装支承的轴承。风机主轴结构装配关系，如图１所示。风机主轴
Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ模块建立垂直轴风力发电机主轴的有限元模型。运此，垂直轴风机主轴既要满足刚度、强度等力学陛能要求，又要尽量用目标驱动优化设计模块以主轴的强度和刚度为约束条件，以主减轻重量，降低生产制造成本。该设计的Ｈ型垂直轴风力发电机主
轴采用两支承结构的空心阶梯轴，材料采用４５＃钢。在主轴下端通轴的体积为目标函数，对主轴的内径、支承跨距、轮辐与支承的距
１引
风力发电的市场竞争力，必须降低加工制造成本。机组零部件的
风能作为一种蕴含量巨大的可再生能源哪；是替代化石燃料设计直接决定风力发电机组的加工制造成本。主轴是垂直轴风机
最主要的能源之一。风力发电技术越来越受到各个国家的大力发组中主要的支承部件，其主要尺寸将对风力机的性能和整个风机
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｓｓ．ｅｖｅｒｔｉｃａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｐｉｎｄｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｋＴｈｅｉｎｎｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｓｈ，ｂｅａｒｉｎｇｓｐａｎ，ｓｐｏｋｅｓａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄｓｐｏｋｅｓｓｐａｎａｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｉｎｔｈｅｗａｙｏｆｔｈｅｍａｉｎｓｈｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｉｆｎｅｓｓ∞ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｓｐｉｎｄｌｅｗｅｉｇｈｔ珊ｔｈｅｇＤ以Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｂｅｆｏｒｅａｎｄｅｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｓｐｉｎｄｌｅｉｓｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄｏｎｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｏｆｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅａ￣ｓｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｒ，－Ｔｈｅ

大型风电机组主轴结构优化设计

大型风电机组主轴结构优化设计白㊀儒㊀徐苾璇㊀田家彬㊀李钢强㊀张洪达㊀郑㊀冰(山东中车风电有限公司风电装备研究所ꎬ山东２５００２２)摘要:针对某大型风电机组主轴ꎬ建立有限元分析模型ꎬ在对主轴静强度分析的基础上ꎬ根据线性累积损伤理论对其疲劳强度进行分析ꎬ并详细研究了表面粗糙度对疲劳寿命的影响ꎮ关键词:主轴ꎻ有限元分析ꎻ静强度ꎻ疲劳强度ꎻ粗糙度中图分类号:ＴＫ８３㊀㊀文献标志码:ＢＯｐｔｉｍａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＳｐｉｎｄｌｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＬａｒｇｅＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＵｎｉｔＢａｉＲｕꎬＸｕＢｉｘｕａｎꎬＴｉａｎＪｉａｂｉｎꎬＬｉＧａｎｇｑｉａｎｇꎬＺｈａｎｇＨｏｎｇｄａꎬＺｈｅｎｇＢｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ:Ａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｈａｓｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｏｆａｌａｒｇｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｕｎｉｔ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔａｔｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅꎬｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｈａｓｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌｉｎｅａｒｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｄａｍａｇｅｔｈｅｏｒｙꎬａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｈａｓｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｐｉｎｄｌｅꎻｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓꎻｓｔａｔｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈꎻｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈꎻｒｏｕｇｈｎｅｓｓ收稿日期:２０１８－１０－２０㊀㊀主轴在风力发电机组运行过程中ꎬ要承受由轮毂传递过来的周期性载荷与随机载荷ꎬ以及传动链自身的扭转振动等载荷ꎬ它是风力发电机组中受力最为复杂ꎬ可靠性要求最高的关键部件之一ꎬ其设计的合理性与安全性直接关系到整个机组运行的稳定性与可靠性[１－２]ꎮ通过建立有限元分析模型ꎬ对主轴的静强度和疲劳强度进行综合分析ꎬ并详细研究了表面粗糙度对疲劳寿命的影响ꎬ有助于指导主轴的结构优化设计ꎬ保证其静强度和疲劳强度均满足设计要求ꎮ１㊀主轴分析模型主轴如图１所示ꎬ为典型的单轴承支撑方式:双列球面调心滚子轴承的内㊁外圈分别与主轴和轴承座过盈装配ꎮ主轴强度分析的整体模型包括主轴本体㊁主轴承㊁轴承挡圈㊁锁紧螺母㊁轮毂和胀紧套ꎮ在进行有限元分析建模时ꎬ去除一些无关结构强度的几何特征ꎬ以便于有限元网格划分[３－４]ꎮ主轴的锁紧螺纹处在分析计算时考虑应力集中系数(ＳＣＦ)ꎬ根据参考文献彼得森应力集中系数[４－５]ＳＣＦ取值２.６ꎮ对于主轴承的滚珠ꎬ则根据罗氏应力应变手册使用仅受压的杆单元(Ｌｉｎｋ１８０)模拟其受力形式和刚度[４－６]ꎮ在轮毂中心旋转坐标系[２]原点建立载荷加载点ꎬ通过梁单元伞与轮毂端面连接ꎬ用于外部载荷施加ꎬ外部载荷则根据叶素理论和坐标转换[２]ꎬ利用Ｂｌａｄｅｄ软件计算得到ꎮ图１㊀主轴强度分析模型Ｆｉｇｕｒｅ１㊀Ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｓｐｉｎｄｌｅ２㊀主轴静强度分析主轴所承受的外部载荷最大的工况见表１ꎬ使用ＡＮＳＹＳ求解计算得到主轴在极限载荷工况下的ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力[７]分布如图２所示ꎮ主轴为３４ＣｒＮｉＭｏ６材料锻造而成ꎬ其屈服强度为６００ＭＰａꎬ根据ＧＬ２０１０规范[２]中对金属部件的设计要求ꎬ考虑材料安全系数取１.１ꎬ则主轴的许用应力为５４５ＭＰａꎬ图２中主轴的应力为２９６.６ＭＰａꎬ位于安装轴承的卸载槽处ꎬ最大应力远小于材料的许用应力ꎬ因此ꎬ主轴满足静强度设计要求ꎮ表１㊀极限工况载荷表Ｔａｂｌｅ１㊀ＬｉｍｉｔｌｏａｄｔａｂｌｅＭｘ∕ｋＮｍＭｙ∕ｋＮｍＭｚ∕ｋＮｍＦｘ∕ｋＮＦｙ∕ｋＮＦｚ∕ｋＮ１０３８.５７９６０.７４７５.８－４２.６５１１.５４７９.２３㊀主轴疲劳寿命分析根据ＧＬ２０１０规范要求ꎬ风电机组中承受交变载荷的零部件需要满足２０年的使用寿命[２]ꎬ因此在主轴设计时ꎬ必须根据其所承受的交变载荷６１Ｎｏ.２«中国重型装备»Ｍａｙ２０１９ＣＨＩＮＡＨＥＡＶＹＥＱＵＩＰＭＥＮＴ情况ꎬ结合材料的Ｓ￣Ｎ曲线ꎬ并依据线性损伤累计法则计算疲劳损伤[２㊁８－９]ꎮ图２㊀主轴静强度结果Ｆｉｇｕｒｅ２㊀Ｓｔａｔｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｐｉｎｄｌｅ３.１㊀材料Ｓ￣Ｎ曲线主轴的材料为３４ＣｒＮｉＭｏ６ꎬ材料的Ｓ￣Ｎ曲线可根据ＧＬ２０１０规范Ａｐｐｅｎｄｉｘ５.Ｂ中提供的拟合方法得到ꎬ拟合过程中所要考虑的主要影响因素包括弹性模量㊁泊松比㊁密度㊁抗拉强度㊁屈服强度㊁表面粗糙度㊁切口敏感系数㊁材料安全系数㊁应力集中系数等[２]ꎬ确定拟合曲线斜率ｍ１㊁ｍ２和拐点(Ｎ１ꎬΔσ１)㊁(ＮＤꎬΔσＡ∗)的公式为:ｍ１＝(１２∕Ｆ)＋３(１)ｍ２＝２ｍ１－１(２)ΔσＡ∗＝２σＡ(ＳｐｕＳｔ)γＭ(３)Δσ１＝σ０.２１－ＲγＭ(４)ＮＤ＝１０６.４－２.５∕ｍ１(５)Ｎ１＝ＮＤΔσＡ∗Δσ１æèçöø÷ｍ１(６)式中ꎬＦ为整体修正系数ꎬ包括工艺系数㊁表面粗糙度系数和疲劳缺口系数的综合影响ꎻσＡ为存活率５０％下的疲劳强度ꎻＳｐｕ为存活率系数ꎻＳｔ为厚度系数ꎻγＭ为材料安全系数ꎻＲ为应力比ꎮ３.２㊀疲劳损伤分析根据线性累计损伤理论ꎬ材料在各应力水平下的损伤是独立的ꎬ疲劳的总损伤可进行线性叠加ꎬ其中ꎬ最具代表性㊁被广泛认可的是Ｍｉｎｅｒ准则[２㊁８]ꎬ其破坏判据为:Ｄ＝ｋｉ＝１ｎｉＮｉȡ１(７)式中ꎬｋ表示总的应力水平级数ꎻｎｉ表示第ｉ个应力水平经雨流计数统计得到的循环次数ꎻＮｉ表示第ｉ个应力水平作用下不发生疲劳破坏的许用循环次数ꎻＤ表示各应力水平作用下总的损伤值ꎮ如图３所示为主轴的损伤计算结果ꎮ位置１为静强度结果最大位置处ꎬ其损伤值Ｄ＝０.１２３５<１ꎻ位置２㊁３两区域损伤值均大于１ꎬ其中疲劳损伤最大的点在锁紧螺母后侧过渡处(位置３)ꎬ其损伤值Ｄ＝４.４１８>１ꎮ因此ꎬ该主轴结构不满足疲劳强度设计要求ꎮ图３㊀主轴疲劳损伤结果Ｆｉｇｕｒｅ３㊀Ｒｅｓｕｌｔｏｆｓｐｉｎｄｌｅｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅ图４㊀主轴疲劳损伤优化结果Ｆｉｇｕｒｅ４㊀Ｏｐｔｉｍｉａｌｒｅｓｕｌｔｏｆｓｐｉｎｄｌｅｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅ４　主轴优化设计分析根据主轴结构静强度和疲劳强度分析结果ꎬ可知ꎬ该主轴的安全性受到疲劳强度的限制ꎬ而影响机械结构件疲劳强度的因素有很多ꎬ如应力集中㊁尺寸效应㊁表面状态㊁腐蚀介质㊁加载顺序和频率等ꎬ其中ꎬ以前三项的影响最为重要[１０]ꎮ４.１㊀结构优化零件的应力集中和尺寸效应ꎬ综合而言都体现在零件的几何结构上ꎮ根据主轴的疲劳损伤结果ꎬ对主轴进行如下局部结构改进:(１)加大主轴前端过渡位置处的轴颈ꎮ(２)增大锁紧螺母后侧位置处的过渡圆弧半径ꎮ优化后的主轴结构及其疲劳损伤计算结果如图４所示ꎬ疲劳损伤最大部位仍在锁紧螺母后侧过渡位置ꎬ损伤值Ｄ＝０.２３３６<１ꎬ满足疲劳强度设计要求ꎮ结构优化改进前后主轴关键位置(图３中标注)处的静强度和疲劳损伤对比结果分别如图５７１«中国重型装备»Ｎｏ.２ＣＨＩＮＡＨＥＡＶＹＥＱＵＩＰＭＥＮＴＭａｙ２０１９图５㊀静强度结果比较Ｆｉｇｕｒｅ５㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｔａｔｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｓｕｌｔｓ图６㊀疲劳损伤结果比较Ｆｉｇｕｒｅ６㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｒｅｓｕｌｔｓ图７㊀不同Ｒｚ值的疲劳结果Ｆｉｇｕｒｅ７㊀ＦａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＲｚｖａｌｕｅｓ和图６所示ꎬ从图５和图６可见:局部改进后对应位置处的静强度和疲劳损伤均明显降低ꎬ优化方案取得显著效果ꎻ除此之外ꎬ还可发现疲劳损伤最大位置并不在静强度应力最大处ꎻ原结构疲劳损伤超过１时ꎬ对应的静强度应力远小于材料的许用应力ꎮ４.２㊀表面状态优化主轴的表面状态主要是指主轴的表面粗糙度ꎬ在主轴设计时采用Ｒｚ作为评定参数ꎮ为比较不同粗糙度设计对主轴疲劳强度的影响ꎬ对原模型和优化模型增加计算Ｒｚ值取６.３μｍ㊁１２.５μｍ和５０μｍ时的疲劳损伤ꎬ结构优化前后不同Ｒｚ值对应的最大损伤值结果如图７所示ꎬ分析图中结果可见ꎬ局部结构优化后ꎬ对应不同粗糙度的疲劳损伤值均显著减小ꎻ结构优化前后ꎬ主轴的疲劳损伤值均随着粗糙度的降低而减小ꎬ且疲劳损伤值的对数形式与粗糙度值之间均呈近似的线性关系ꎮ５　结语文中利用有限元分析方法ꎬ以仅受压属性的Ｌｉｎｋ１８０单元模拟主轴承滚珠的载荷传递ꎬ对主轴的静强度和疲劳强度进行了综合分析和结构优化ꎬ根据分析结果得出:(１)主轴的局部结构尺寸对其整体的静强度和疲劳寿命具有显著影响ꎬ合理的结构形式和尺寸设计可有效缓解应力集中ꎬ降低局部应力水平ꎬ以提高静强度和疲劳寿命ꎮ(２)主轴表面粗糙度减小ꎬ其疲劳损伤值随之降低ꎬ且损伤值的对数形式与粗糙度呈近似的线性关系ꎮ因此ꎬ在主轴设计过程中应综合考虑其结构尺寸和加工工艺ꎬ在保证强度设计要求的基础上ꎬ实现减重优化ꎮ参考文献[１]㊀杨校生ꎬ何家兴ꎬ刘东远ꎬ等译.风力发电机组设计导则(第２版)[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ２０１１:１１２－１１９.[２]㊀ＧｒｍａｎｉｓｃｈｅｒＬｌｏｙｄＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＳｅｒｖｉｃｅｓＧｍｂＨ.ＧｕｉｄｅｌｉｎｅｆｏｒｔｈｅＣｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓ[Ｓ].Ｈａｍｂｕｒｇ:Ｇｅｒｍａ￣ｎｉｓｃｈｅｒＬｌｏｙｄꎬ２０１０.[３]㊀吕杏梅ꎬ凡增辉ꎬ王磊.兆瓦级风力发电机组主轴的强度分析[Ｊ].机械传动.２０１３(２):９０－９３.[４]㊀翁海平ꎬ陈棋.兆瓦级风机主轴疲劳分析方法研究[Ｊ].太阳能学报.２０１３ꎬ３４(１０):１７１３－１７１８.[５]㊀ＰｉｌｋｅｙＷＤ.Ｐｅｔｅｒｓｏｎｓｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓ[Ｍ].Ｈｏｂｏｋｅｎ:ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆ＳｏｎｓＬｔｄ.ꎬ１９９７:９４.[６]㊀ＹｏｕｎｇＷＣꎬＢｕｄｙｎａｓＲＧ.Ｒｏａｒｋｓｆｏｒｍｕｌａｓｆｏｒｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎ(７ｔｈｅｄｉｔｉｏｎ)[Ｍ].ＮｅｗＹｏｒｋ:ＭｃＧｒａｗ￣ＨｉｌｌＣｏｍｐａ￣ｎｉｅｓＩｎｃ.ꎬ２００２:７０２－７０５.[７]㊀杨桂通.弹塑性力学引论.第２版[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２０１３.[８]㊀刘建伟.疲劳累计损伤理论发展概述[Ｊ].山西建筑ꎬ２００８ꎬ３４(２３):２－５.[９]㊀姚卫星.结构疲劳寿命分析[Ｍ].北京:国防工业大学出版社ꎬ２００３.[１０]吴宗泽.高等机械设计[Ｍ].北京:高等教育出版社ꎬ２００１.８１Ｎｏ.２«中国重型装备»Ｍａｙ２０１９ＣＨＩＮＡＨＥＡＶＹＥＱＵＩＰＭＥＮＴ。

5MW风力机主轴的关键技术研究

5MW风力机主轴的关键技术研究风力发电机主轴分析3.1风力发电机主轴系统结构现代风力发电机采用的是空气动力学原理。

如同飞机的机翼一样，风并非"推" 动风轮叶片，而是通过吹过叶片形成叶片正反面的压力差，这种压力差会产生升力，使风轮旋转并不断横切风流。

风力发电机主要包含三部分∶风轮、机舱和塔杆。

风轮叶是由复合材料制造而成的，大型风力电机的风轮转动相当慢，比较简单的风力发电机多采用固定速度。

通常情况下采用两个不同的速度--在弱风下用低速、在强风下用高速。

机舱上安装感测器可探测风向，通过转向机械装置令机舱和风轮自动转向，使之面向来风。

风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机。

在风电工业中，配有变速箱的风力发电机是很普遍的。

所有风力发电机的功率输出是随着风力的变化而变化的。

强风下最常见的两种限制功率输出的方法是失速调节和斜角调节。

使用失速调节的风电机，超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流，令风轮失速。

当风力过强时，叶片尾部制动装置会运作，令风轮剎车。

而使用斜角调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随著风速变化而转变，从而改变风轮的空气动力姓能。

风力发电机组传动系统的传动链由以下部件组成：风轮、低速轴（即主轴）、齿轮箱、高速轴、发电机以及相应的联轴器、离合器、制动器、轴承等。

图3-1 风力发电机组传动系统风力机的主轴，也称为低速轴，连接风力机的轮毂和发电机增速箱，用于传递风轮转动的扭矩，带动发电机发电，同时需要将风轮的轴向推力、叶轮和机船重力以及自身重力作用的弯矩传递到机舱。

风力机的主轴结构按照轴承的支承方式分为两种：一种是挑臂梁结构，主轴由两个轴承支承，也称为两点式支承。

这种支承的齿轮箱体挂在主轴的后端，连接在轴承外，由转矩臂承担驱动转矩。

另一种是悬臂梁结构，主轴使用一个轴承支承，另一轴承置于齿轮箱体内，避免了独立的轴承润滑系统，但是对齿轮箱的外壳要求较高，它要承受风轮载荷并且不能引起齿轮箱体的变形。

大型风电机组主轴结构优化设计

大型风电机组主轴结构优化设计发表时间：2019-07-01T15:19:53.903Z 来源：《防护工程》2019年第7期作者：王范华[导读] 应当逐步促进电气自动化控制技术的优化升级，大力借助人工智能技术的先进功能，降低成本，强化作业时效，并切合现代社会的发展趋势。

国家电投内蒙古察哈尔新能源有限公司 012299 摘要:针对某大型风电机组主轴，建立有限元分析模型，在对主轴静强度分析的基础上，根据线性累积损伤理论对其疲劳强度进行分析，并详细研究了表面粗糙度对疲劳寿命的影响。

关键词:主轴;有限元分析;静强度;疲劳强度;粗糙度在风力发电机组运行过程中，要承受由轮毂传递过来的周期性载荷与随机载荷，以及传动链自身的扭转振动等载荷，它是风力发电机组中受力最为复杂，可靠性要求最高的关键部件之一，其设计的合理性与安全性直接关系到整个机组运行的稳定性与可靠性［1－2］。

通过建立有限元分析模型，对主轴的静强度和疲劳强度进行综合分析，并详细研究了表面粗糙度对疲劳寿命的影响，有助于指导主轴的结构优化设计，保证其静强度和疲劳强度均满足设计要求。

1主轴分析模型主轴如图1所示，为典型的单轴承支撑方式:双列球面调心滚子轴承的内、外圈分别与主轴和轴承座过盈装配。

主轴强度分析的整体模型包括主轴本体、主轴承、轴承挡圈、锁紧螺母、轮毂和胀紧套。

在进行有限元分析建模时，去除一些无关结构强度的几何特征，以便于有限元网格划分。

主轴的锁紧螺纹处在分析计算时考虑应力集中系数(SCF)，根据参考文献彼得森应力集中系数SCF取值2.6。

对于主轴承的滚珠，则根据罗氏应力应变手册使用仅受压的杆单元(Link180)模拟其受力形式和刚度。

在轮毂中心旋转坐标系原点建立载荷加载点，通过梁单元伞与轮毂端面连接，用于外部载荷施加，外部载荷则根据叶素理论和坐标转换，利用Bladed软件计算得到。

3.1材料S-N曲线主轴的材料为34CrNiMo6，材料的S-N曲线可根据GL2010规范Appendix5.B中提供的拟合方法得到，拟合过程中所要考虑的主要影响因素包括弹性模量、泊松比、密度、抗拉强度、屈服强度、表面粗糙度、切口敏感系数、材料安全系数、应力集中系数等。

垂直轴风力机主轴结构优化设计

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2008, 36 (10)
己的算法。本文基于 isight平台 ,结合有限元计算 ,以风
2. 1 主轴在风力机组中的重要作用风力机主轴是风力发电机组中的主要支承装
置。目前常见的主轴有锥筒式、桁架式、混凝土式等几种形式。现代大型风力发电机组通常采用锥筒式主轴。这种形式的主轴一般由若干段 20 ～ 30 m 的锥筒用法兰联接而成 ,主轴由底向上直径逐渐减小 ,整体呈圆台状 ,因此也称此类主轴为圆台式主轴。其优点是安全性能好 ,且维修时比较方便安全。在国际风电市场上 ,现代大型风力发电机组普遍采用锥筒式主轴。
风机的具体结构见图 1。
图 1 某垂直轴风机结构图
将主轴将分 10 段的变截面圆筒结构对其进行优化研究 ,其初始截面尺寸及沿高度方向的变化规律如表 1所示。
表 1 主轴截面尺寸沿高度方向的变化规律
序号
层段顶端标高 /m
层段中间质点标高 h /m
外径 < /m
壁厚 t /mm
1
7. 06
3. 53
风机的横撑及叶片所受风载及自重对主轴的影响通过静力等效的方式施加在主轴上主轴本身受到的风载荷按实际沿高度施加纤绳对主轴的作用也用等效力施加在主轴上在这些载荷以及主轴的自重作用下优化主轴内外筒的壁厚使其重量最轻并能保证结构不发生屈曲
第 36卷第 10期 2008年 10月
Vol. 36 No. 10 Oct. 2008
在整个风力发电机组中 ,主轴的作用是支撑轮辐和叶轮 ,把叶轮等部件举到设计高度处运行 , 以获得足够的能量驱动叶轮转动 ,并带动发电机按照设计的额定功率发电。同时 ,主轴又是整个风力发电机组的承载基础 ,它需要要有足够的强度和刚度 ,以保证机组在各种载荷情况下能正常运行 ,还要保证机组在遭受一些恶劣外部条件 ,如台风或暴风袭击影响时的安全性。因此 ,一方面主轴要满足以上高度、刚度、强度等要求 ,另一方面主轴还要减轻重量 ,降低成本。

大型风电机轮毂与主轴的设计步骤

大型风电机轮毂与主轴的设计步骤
大型风电机轮毂与主轴的设计步骤如下：
1. 确定叶片数量和形状：根据所需的功率和旋转速度，选择适当的叶片数量和形状。

2. 计算轮毂的尺寸：根据设计要求和叶片的尺寸，确定轮毂的直径和宽度，以及轮毂与叶片连接的方式。

3. 确定材料和制造工艺：选择适当的材料，考虑材料的机械性能、成本和可用性，确定制造工艺。

4. 结构设计：设计轮毂的内部结构，考虑轴承和轴向力的作用情况。

5. 主轴设计：根据轮毂的要求，设计主轴的尺寸和材料，确保主轴能够承受叶片和轮毂的重量、风力负荷和转动力矩等。

6. 结构优化：进行结构优化，以减少重量、提高强度和刚度、降低成本等。

7. 考虑安装和维护：考虑轮毂和主轴的安装和维护要求，设计轮毂和主轴的连接方式和拆卸方便性。

8. 检验和测试：设计完成后进行检验和测试，确保轮毂和主轴符合设计要求和标准。

风力发电机组设计方案

风力发电机组设计方案风力发电机组设计方案一、选取适合的风力发电机组型号：根据实际情况和需求，我们选取了X公司的XX型号风力发电机组。

该型号风力发电机组具有以下优点：高效率、低噪音、可靠性高、维护方便等。

二、确定风力发电机组的数量和布局：根据实际的可用空地条件和发电需求，我们决定布置3台风力发电机组，间距为120米，形成一个三角形的布局，以提高发电效率。

三、确定风力发电机组的轴高：根据当地气象条件和土地利用状况，我们确定风力发电机组的轴高为100米。

这样可以获得更高的风力资源，提高发电效率。

四、确定风力发电机组的额定功率和输出功率：根据需求和风力资源情况，我们确定每台风力发电机组的额定功率为2.5兆瓦，输出功率为2.3兆瓦。

五、确定风力发电机组的材料和结构设计：选用高强度的钢材作为主要结构材料，确保风力发电机组在恶劣天气条件下的稳定性和可靠性。

同时，进行合理的结构设计，减小风力发电机组的重量，以提高发电效率。

六、确定风力发电机组的控制系统和监测系统：选用先进的控制系统和监测系统，实时监控风力发电机组的运行状态，确保安全可靠，并及时发现并解决故障。

七、确定风力发电机组的维护保养计划：制定详细的维护保养计划，定期对风力发电机组进行检查、维护和保养，确保其长期稳定运行，并延长使用寿命。

八、确定风力发电机组的电力接入方案：与电力公司协商，并按照相关规定进行接入，确保风力发电机组的发电能够接入电力网络，实现电力的有效利用。

九、制定风力发电机组的运营管理方案：建立完善的运营管理体系，对风力发电机组进行日常管理和监督，确保其正常运行，并及时调整运行策略，以提高发电效率。

十、制定风力发电机组的环境保护措施：制定有针对性的环境保护措施，减少对当地环境的影响，尽可能减少噪音和视觉污染，确保对周边环境的影响最小化。

通过以上的设计方案，我们可以确保风力发电机组的高效稳定运行，实现可靠的风力发电，为社会提供清洁能源，同时保护环境，符合可持续发展的要求。

风力发电机的轴承解决方案

风力发电机的轴承解决方案来源：互联网作者：佚名发布时间： 2011-1-26 9:52:36随着新能源应用的发展，作为新能源中开发较早的风能，在电网中占据了越来越大的比重。

同时，越来越多的制造商开发了各种不同的风力发电机主机，为了增强其产品在市场上的竞争实力，从传动链设计的改进，到各种零部件不同功能的考虑，都成为风力发电机主机设计改进的不同考虑因素。

作为风力发电机的主要零部件轴承的选用一直是主机生产厂商最关心的问题，不论是轴承本身的设计，还是轴承配置的选择，都决定着风力发电机主机的运行性能及使用寿命。

由于风力发电机运行工况复杂，主机维修成本较高，保证其运行的可靠性，即风力发电机的使用寿命，一直都是困扰主机制造商的重要问题。

其中轴承的应用对主机效率的影响极为重要。

因此，基于风力发电机的复杂性，SKF专门为其并开发了一种特殊的轴承，即“Nautilus”轴承——一种具有特殊的大接触角的双列圆锥滚子轴承（图1）。

图1 SKF公司研发的Nautilus轴承风力发电机主机轴承配置传统的风力发电机轴承配置为双轴承支撑。

根据风力发电机的工作原理，传动链通常采用如下设计：主轴、齿轮箱(增速箱)和发电机。

在主轴上，采取双轴承的配置是比较传统且比较常用的形式，采用的轴承类型根据设计要求的不同而有所不同，但通常较为传统的轴承配置为球面滚子轴承配置或圆锥滚子轴承配置。

双轴承配置的好处在于主轴轴承承受了大部分复杂的风力载荷，除扭矩外，基本上没有其他载荷会传递到传动链的齿轮箱里，给齿轮箱的设计带来了极大便利。

但这种配置也有其自身的缺点，比如传动链较长，除主轴长度外，还要考虑主轴与齿轮箱连接的联轴器的长度。

因此，在小功率的风力发电机中，这种配置比较常见。

在大功率的风力发电机中，过长的传动链则意味着更大的体积以及更高的制造成本。

现最新的主轴轴承配置解决方案为单轴承支撑。

随着风力发电机的发展，大功率风力发电机成为市场发展的趋势，较高的能量密度也成为各主机制造商争相追赶的目标，给轴承设计带来了极大挑战。

风力发电机主轴设计

风力发电机主轴设计
在风力发电系统中，主轴是转动的核心部件之一。

它负责将风能转化
为电能，并且承受着巨大的动力和转矩。

因此，良好的主轴设计是风
力发电机的关键。

以下是对风力发电机主轴设计的一些思考和建议。

首先，主轴设计需要考虑到可靠性和持久性。

在高速旋转的情况下，
主轴会受到巨大的动力和弯曲力，因此需要选择高强度材料，如高强
度钢或铝合金。

同时，为了延长主轴寿命，需要做好润滑和散热，使
其能够长时间运转。

其次，主轴设计也需要考虑到节能和环保。

在高速旋转的情况下，主
轴会消耗大量的能量，因此需要适当减少摩擦系数，比如采用耐磨涂
层或者黏合剂来降低主轴摩擦。

另外，要通过设计提高风能转化效率，让主轴产生更多的电能。

最后，主轴设计也需要考虑到安全性和可维护性。

主轴应该具有良好
的抗震性和抗风性能，以应对恶劣的自然环境。

此外，还需要设计合
理的维护通道和故障排除机制，便于工程师进行维护和检修。

总结来说，风力发电机主轴设计需要考虑到可靠性、高效能、安全性
等多方面的问题。

主轴的设计需要选用高强度的材料，采用先进的润
滑和散热技术，并通过科学的设计提高转化效率，同时也需要具备良好的安全性和可维护性。

风力发电机组的主轴与发电机连接设计

风力发电机组的主轴与发电机连接设计随着环保意识的提升和可再生能源的需求增加，风力发电逐渐成为各国重要的能源利用方式之一。

在风力发电机组中，主轴与发电机的连接设计起着至关重要的作用。

本文将详细介绍风力发电机组的主轴与发电机连接设计的相关内容。

1. 主轴与发电机连接的重要性主轴是风力发电机组中最重要的组件之一，其作用是将风能转化为机械能，并传递给发电机以产生电能。

因此，主轴的连接设计对整个发电系统的性能和可靠性至关重要。

一个合理的连接设计可以确保主轴与发电机之间的传递效率高，同时还能减少能源损耗和机械磨损，提高整个系统的工作效率和寿命。

2. 连接设计原则在设计主轴与发电机的连接方案时，需要考虑以下几个原则：2.1 动力传递效率：主轴与发电机之间的连接应该能够高效传递风能的动力，将机械能准确地传递给发电机。

为了减小传动过程中能量的损耗，通常会采用直接驱动方式，即将主轴直接与发电机相连，减少不必要的中间传动部件。

2.2 可靠性和安全性：连接设计应该具备足够的可靠性和安全性，以防止意外断裂或脱离连接。

这要求连接部件必须具备足够的强度和耐久性，能够承受风力发电机组的工作负载，并且要考虑到长期使用过程中的疲劳和应力集中等因素。

2.3 维护和检修：连接设计应考虑到维护和检修的需要，即连接部件应具备易于拆装和维修的特性，便于后期维护和检查。

3. 连接设计方案基于以上原则，我们可以采用以下几种常见的连接设计方案：3.1 锥形插销连接锥形插销连接是一种常用的连接方式，它通过锥形的插销将主轴与发电机齿轮连接起来。

这种连接方式具备较高的传动效率和可靠性，能够承受较大的负载和转矩。

同时，它也具备易于拆卸和维护的特点，方便日后的检修和更换。

3.2 伸缩套连接伸缩套连接是一种通过套环与主轴齿轮插接的连接方式。

它通过压力或热胀冷缩等原理将套环与主轴齿轮紧密连接在一起，实现动力传递。

这种连接方式具备较高的可靠性和传递效率，并且适用于较大的风力发电机组。

风电主轴 (1) (1)

西安理工大学研究生课程论文/研究报告课程名称：有限单元法及程序设计课程代号：000204任课教师：何钦象论文/研究报告题目：风力发电机主轴静强度分析完成日期：2016 年11 月28 日学科：机械设计制造及其自动化学号：2160220008姓名：张玉敏成绩：风力发电机主轴静强度分析1、概述风力发电机作为清洁能源的一种有效利用形式,受到世界各国的推广使用。

但是,据统计当前风力发电机组都有着较高的故障率。

其中,主轴轴承、齿轮箱、发电机是造成风力发电机故障的主要部件。

而主轴轴承故障所造成的风力发电机破坏性损失较大,严重影响了风力发电机的运行可靠性。

因此,对风力发电机主轴的故障诊断研究具有十分重要的意义。

风力发电主轴为风电力发电系统中的主要动力传递结构，在风力发电机的实际工作中，主轴承受多种多样的载荷工况，但所有载荷的来源都是由于叶片受风载传递过来的。

在风力发电机的设计中，必须要根据实际的设计工况对主轴进行强度分析，因为主轴一旦在工作中发生结构破坏，则整个风机将无法使用。

本文通过Workbench软件对某风力发电机组主轴结构进行了强度分析，加载载荷为轮毂中心坐标系下载荷，最终计算结果表示主轴结构满足强度要求。

2、有限元模型风力发电机的主轴，也称低速轴，连接风力发电机的轮毂和发电机增速箱，用于传递风轮转动的扭矩，带动发电机发电，同时需要将风轮的轴向推力、叶轮和机舱重力以及自身重力作用的弯矩传递到机舱。

对主轴系统的分析，首要任务运用有限元法对主轴强度和刚度进行分析校核。

可以用扭矩或者弯矩合成来校核主轴强度，当轴受到弯矩较小或者不受弯矩载荷以及轴的跨度不确定的情况下可以用扭矩校核主轴的强度；当轴所承受的载荷和支撑位置均已确定时，可以用弯矩和扭转的合成强度进行计算。

在风力发电机设计的初始方案已经得到确定，主轴的结构和荷载都可获得的情况下，运用有限元对主轴的强度进行校核是更为有效的解决方法。

本文主要对风力发电机的主轴进行有限元静强度分析。