风力发电机组内铸件的强度分析计算

风力发电机组内铸件的强度分析计算

杨国昌

（哈尔滨电机厂有限责任公司大电机研究所强度室,黑龙江省哈尔滨市150030）

摘要：风力发电是目前最有前景的可再生资源之一，备受各国重视。风力发电机组内铸件的强度分析计算，主要包括极限强度和疲劳寿命计算。铸件的极限强度计算采用有限元法进行，以轮毂为例介绍铸件的极限强度计算。铸件疲劳寿命的计算分为两个部分，即单位载荷下铸件的应力分析计算和根据铸件所承受载荷的疲劳载荷谱和单位载荷下应力值进行疲劳损伤值的雨流统计计算。

关键词：风力发电机；铸造工艺；有限元

一、铸件极限强度的分析计算

铸件的极限强度计算采用有限元法进行。以轮毂为例介绍铸件的极限强度计算。使用的三维软件为Pro/E5.0，在建模前需要对轮毂的外部接口零部件和受力有一个总体的认识。与轮毂连接的主要零部件是变浆轴承、变浆驱动、叶片、楔形盘和主轴。在建立几何模型的过程中，需对强度影响很小的特征，如小的倒角、凸台等进行简化，将几何模型转化为STP或其他中间格式的文件后，导入专业的有限元前处理软件Hyper-Works，对模型进行网格划分，以建立分析所需的有限元模型。为了便于载荷的施加，建立了叶片的假体，根据圣维南原理，叶片假体的长度保留大于叶根直径的一倍，并且分别建立了主轴的假体和变桨轴承的假体。楔形盘位于叶片假体和变桨轴承之间，予以简化，不建立假体。简化掉叶片假体与变桨轴承假体、变桨轴承假体与轮毂、轮毂与主轴假体之间的螺栓连接，在有限元模型中通过设置Tie联结来耦合各部件。为了建立约束边界条件，在主轴后端面建立一个柱坐标系，柱坐标系的z向与GL规范中的轮毂坐标系x轴重合。在该柱坐标系下，约束主轴轴承段的径向和轴向自由度，约束主轴尾端面的周向自由度。施加载荷和约束后的模型如图所示。

将有限元模型使用Abaqus进行计算，并使用其后处理模块查看分析结果。根据GL规范要求对计算的结果进行评估。对轴承座、机舱底座等铸件的极限强度采用同样的方法，但需要注意的是模型的建立、边界条件的设定要和实际情况一致。轴承座和机舱底座根据GL规范，要选择静止轮毂坐标系下的16个极限载荷工况进行极限强度校核计算。

二、铸件疲劳寿命的分析计算

CAE疲劳分析的基本原理是:根据有限元分析中所获得的应力应变结果，结合材料的疲劳寿命性能，应用疲劳理论，计算出零部件的疲劳寿命。所以对铸件疲劳寿命的计算分为两个部分，即单位载荷下铸件的有限元应力分析计算和根据铸件所承受载荷的疲劳载荷谱和单位载荷下应力值进行疲劳损伤值的雨流统计计算。对铸件单位载荷下应力分析计算和铸件极限强度分析计算不同的是:在铸件的表面铺设一层很薄的壳单元，以便于表面应力结果值的提取;将对应坐标系下的极限载荷改为单位载荷，应用单位载荷轮毂的应力计算结果，将其导入疲劳分析软件，文中使用的疲劳软件为Fe-safe。在疲劳软件中，需定义疲劳分析类型，选择全寿命(SN)分析。对材料的S-N曲线进行设置:轮毂采用的材料是球墨铸铁EN-GJS-350-22U-LT，应力比R=－1的人工合成S-N曲线。根据GHBladed软件计算得到轮毂一年时间3个叶根坐标系下的载荷时间历程，在Fe-safe中关联随时间变化的载荷与有限元载荷工况。对轮毂进行疲劳分析时，采用最大主应力理论进行疲劳分析，平均应力采用Goodman修正，需要注意的是Fe-safe输出的结果为Log10X函数的寿命值，即最小寿命为102.899=792.501年，满足风机20年的设计寿命要求。

三、铸造工艺设计

1、分型面设计。为方便起模，分型面一般应选择在铸件的最大截面位置，同时薄壁部应置于底部或侧面，以防浇不到冷隔。此外，均衡凝固理论认为厚大断面球铁铸件冷却凝固过程中，组成铸件的各个相互衔接之间由于彼此牵制，厚实部分收缩会部分被石墨化膨胀所补偿。结合分析，本铸件采用三箱造型，将Φ1910mm厚实部分朝下进行浇注，使其在浇注过程和凝固初期处于较高的铁液静压力作用下，以利用铁液的后补量和相邻区域的石墨化膨胀进行自补缩。铸件成形后，上部机械加工余量12mm，下部、侧部均8mm，孔单边10mm。为了使铸件的尺寸精度、表面粗糙度达到要求，全部采用冷硬呋喃树脂自硬砂进行造型和制芯，并在砂型制作时增加气动振动进行辅助紧实，上好涂料后对砂型和砂芯表面做打磨处理。

2、砂芯设计。由于本铸件结构为带有筋板的箱体式结构，造型中共采用4种砂芯，以便中箱活块的拆取及固定。1#砂芯1个，外形轮廓尺寸Φ760mm×265mm，重150kg；2#砂芯1个，外形轮廓尺寸Φ1160mm×285mm，重300kg，结构为方便起模，3#砂芯、4#砂芯各1个。

3、浇注系统设计。依据“大流量、低流速、平稳充型”的原则，并结合中箱体铸件的结构特点，采用开放底注式浇注系统。直浇道用具有一定锥度的变径陶瓷管制作，以防止吸入气体和冲砂，横浇道内设置挡渣措施，内浇口开设在铸件中间法兰处，2个扇形同圆柱轴方向成20°～30°角平稳地进铁液，另外在铸件顶面均布9个Φ20mm出气孔，以便浇注过程中能顺利排除型腔内的气体。直浇道截面积ΣF1=28cm2，过渡浇道1与过渡浇道2连接处的截面积ΣF2=58×2cm2=116cm2，过渡浇道2同过渡浇道3连接处的截面积ΣF3=109×2cm2=218cm2，内浇口截面积ΣF4=163×2cm2=326cm2，整个浇注系统各单元比（经修正）为ΣF1∶ΣF2∶ΣF3∶ΣF4=1∶4.1∶7.8∶11.6。过渡浇道1、过渡浇道2、过渡浇道3避免了铁液紊流，有效防止了气体卷入、吸收及金属的过度氧化。铁液经直浇道进入圆柱体缓冲过渡浇道1后，再通过2个对称的扇形过渡浇道2和过渡浇道3进入铸型，顺利实现了1200kg铁液平稳充型。

4、模具制作。根据工艺设计要求，模具分为上模具、下模具，模具主体采用20～40mm高强度多层夹板制作，型板由20～40mm高强度多层夹板和200mm×100mm×10mm厚方管焊接的底框组装而成，高强度多层夹板的厚度不少于80mm，底框长度方向的方管必须用整根焊接，确保了模具的整体刚度和尺寸精度。同时模具要嵌入型板内20mm深，并用M20螺丝与底框连接，保证型板与模具固定牢固。

为适应风电行业的发展，风机的功率等级不断加大，铸件在风机中的比重也随之不断增加。以轮毂为例，从极限强度分析和疲劳寿命分析两个方面，结合有限元法和疲劳软件介绍了铸件的分析计算方法。对风机内铸件的强度进行校核计算，确保了风机的安全运行和使用寿命。

参考文献

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