风电机组传动链疲劳分析

　　2 风电机组疲劳分析
　　由于风的湍流特性以及风电机组使用期间载荷高循环次数，设计风电机组时必须考虑疲劳。各自的载荷谱——包括载荷幅值和相应的载荷循环，主要取决于风电机组所有零件的动力特性。因此，为了确定这些载荷，必须对整个系统进行建模和模拟。为使模拟结果产生精确而可靠的应力估计，所用的工具和模型必须满足较高标准和要求。
　　尽管轴承上的损坏是风电机组上发生故障的主要根源，但其他零件也容易发生破坏。
　　为了方便起见，以660kW 的风电机组为例进行分析。齿轮箱的中轴断裂，机组无法运转（图2）。

图2 风电机组齿轮箱中间位置的断轴

　　首先，要对短轴进行宏观检查，然后做出三维模型以找出破坏的原因，最后计算出寿命周期。
　　3 宏观检查
　　将660kW风电机组齿轮箱中的断轴放在显微镜下（图3），在表面上能够清楚地看到破坏起始点的贝纹，表明系疲劳损坏。贝纹甚至显示疲劳断裂始于键槽两侧而非转角处。裂纹产生后，沿着轴的横截面扩展直到断裂。所见的贝纹线非常接近，这表明轴不是连续转动，所以疲劳断裂经历了很长一段时间。断裂发生的表面覆盖着由于轴旋转时裂缝一开一合形成的氧化层，这是循环加载的结果。最后看到键槽的下表面变形，表明键沿着键槽移动，导致了断裂的发生。通过这些观察可以看出轴的损坏是由于单向弯曲引起的低名义应力疲劳载荷。
 

图3 发生破坏的轴截面

　　4 有限元分析
　　我们做了一种简单的3D 有限元分析以验证这种方法。我们模仿了轴的一部分包括键槽，并且对键和齿轮都进行了建模以应用边界条件（图4 及图5）。
　　对于模型的边界条件，做适当假设。假设轴的输入面为刚性，且通过中心并横向限制。输出面也被用作刚性元素，且从各个方向限制。为了模拟滚轴，阻止沿横向和纵向轴的旋转。齿轮的一面在外围方向上也要进行阻止（图6）。

图4 轴的几何外形

图5 齿轮和键的外形