風電機組傳動鏈疲勞分析

　　2 風電機組疲勞分析
　　由于風的湍流特性以及風電機組使用期間載荷高循環次數，設計風電機組時必須考慮疲勞。各自的載荷譜——包括載荷幅值和相應的載荷循環，主要取決于風電機組所有零件的動力特性。因此，為了確定這些載荷，必須對整個系統進行建模和模擬。為使模擬結果產生精確而可靠的應力估計，所用的工具和模型必須滿足較高標準和要求。
　　盡管軸承上的損壞是風電機組上發生故障的主要根源，但其他零件也容易發生破壞。
　　為了方便起見，以660kW 的風電機組為例進行分析。齒輪箱的中軸斷裂，機組無法運轉（圖2）。

圖2 風電機組齒輪箱中間位置的斷軸

　　首先，要對短軸進行宏觀檢查，然后做出三維模型以找出破壞的原因，最后計算出壽命周期。
　　3 宏觀檢查
　　將660kW風電機組齒輪箱中的斷軸放在顯微鏡下（圖3），在表面上能夠清楚地看到破壞起始點的貝紋，表明系疲勞損壞。貝紋甚至顯示疲勞斷裂始于鍵槽兩側而非轉角處。裂紋產生后，沿著軸的橫截面擴展直到斷裂。所見的貝紋線非常接近，這表明軸不是連續轉動，所以疲勞斷裂經歷了很長一段時間。斷裂發生的表面覆蓋著由于軸旋轉時裂縫一開一合形成的氧化層，這是循環加載的結果。最后看到鍵槽的下表面變形，表明鍵沿著鍵槽移動，導致了斷裂的發生。通過這些觀察可以看出軸的損壞是由于單向彎曲引起的低名義應力疲勞載荷。
 

圖3 發生破壞的軸截面

　　4 有限元分析
　　我們做了一種簡單的3D 有限元分析以驗證這種方法。我們模仿了軸的一部分包括鍵槽，并且對鍵和齒輪都進行了建模以應用邊界條件（圖4 及圖5）。
　　對于模型的邊界條件，做適當假設。假設軸的輸入面為剛性，且通過中心并橫向限制。輸出面也被用作剛性元素，且從各個方向限制。為了模擬滾軸，阻止沿橫向和縱向軸的旋轉。齒輪的一面在外圍方向上也要進行阻止（圖6）。

圖4 軸的幾何外形

圖5 齒輪和鍵的外形