风电机组主轴轴承的疲劳寿命预测

【摘要】：随着我国经济快速发展,传统能源日益枯竭,环境污染愈发严重,风能作为一种清洁可再生资源越来越受到人们的重视,风力发电是风能利用的主要方式。主轴轴承是风电机组的主要传动部件,其性能的好坏直接影响到风电机组的传递效率和使用寿命,主轴轴承损伤是风电机组的主要故障之一。风力发电机的设计寿命一般为20年,这就要求风电机组主轴轴承的疲劳寿命也要达到20年。因此,预测风电机组主轴轴承的疲劳寿命具有重要意义。 本文以FD70型风电机组为依托,以风电机组主轴轴承为研究对象,该轴承是由SKF公司制造的型号为240/630CA/W33双列调心滚子轴承,在随机风速作用下,预测风电机组主轴轴承的疲劳寿命。主要的研究内容包括以下四个方面： (1)选用双参数威布尔分布模拟随机风速,根据某风场全年的平均风速和风速方差,计算得到该风场的随机风速模型。在Matlab软件中,调用威布尔分布的随机数生成器wblrnd,对服从双参数威布尔分布的随机风速进行随机抽样,以1m/s为间隔把抽样风速分成18个区间,取每个区间风速的平均值为该区间的等效风速,在后续的载荷计算过程中,用等效风速代表该区间的风速值。 (2)风电机组主轴轴承在工作过程中,主要受到轴向力和径向力的作用。从空气动力学入手,利用贝茨理论、叶素理论和葛劳渥方法,计算得到各种工况下主轴轴承受到的轴向力。把风机主轴简化为均匀的悬臂梁,列力平衡方程和力矩平衡方程,计算得到各种工况下主轴轴承受到的径向力。 (3)借助ANSYS软件,应用有限元法,在轴向力和径向力共同作用下,对主轴轴承进行接触分析,得到不同工况下主轴轴承的应力分析结果。 (4)基于ANSYS的有限元分析结果,根据主轴轴承的S-N曲线和线性累积损伤理论,预测风电机组主轴轴承在服从双参数威布尔分布的随机风速作用下的疲劳寿命。 预测风电机组主轴轴承的疲劳寿命,既可以检验主轴轴承是否满足20年的设计要求,也可以在风电机组运营发电时为主轴轴承预定维修时间,确保风力发电机安全、可靠运行。 【关键词】：风电机组 主轴轴承 随机风速 线性累积损伤理论 疲劳寿命
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.3;TM315
【目录】：

• 目录5-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 插图索引11-12
• 附表索引12-13
• 第1章 绪论13-20
• 1.1 课题研究背景13
• 1.2 课题研究意义13-15
• 1.3 国内外研究现状15-17
• 1.4 课题研究的主要内容17-19
• 1.5 本章小结19-20
• 第2章 结构疲劳寿命预测的理论与方法20-34
• 2.1 疲劳和疲劳寿命的定义20
• 2.2 疲劳寿命分析方法20-23
• 2.2.1 名义应力法20-21
• 2.2.2 局部应力应变法21-22
• 2.2.3 应力场强法22-23
• 2.3 平均应力修正公式23-24
• 2.4 材料的疲劳特性24-26
• 2.5 构件的疲劳特性26
• 2.6 影响结构疲劳的主要因素26-28
• 2.6.1 应力集中的影响26-27
• 2.6.2 尺寸的影响27
• 2.6.3 表面状态的影响27-28
• 2.6.4 载荷类型的影响28
• 2.7 疲劳累积损伤理论28-32
• 2.7.1 线性疲劳累积损伤理论28-30
• 2.7.2 双线性累积损伤理论30-31
• 2.7.3 非线性疲劳累积损伤理论31-32
• 2.7.4 其它累积损伤理论32
• 2.8 结构疲劳寿命的预测方法32-33
• 2.9 本章小结33-34
• 第3章 风电机组主轴轴承的载荷分析34-52
• 3.1 引言34
• 3.2 随机风速模型34-38
• 3.2.1 双参数威布尔分布的概述34-35
• 3.2.2 双参数威布尔分布形状参数与尺寸参数的估算35-36
• 3.2.3 利用Matlab软件进行随机抽样36-38
• 3.3 风力机叶片的基本理论38-44
• 3.3.1 贝茨理论38-40
• 3.3.2 叶素理论40-42
• 3.3.3 葛劳渥方法42-44
• 3.4 风电机组主轴轴承轴向力的计算44-50
• 3.5 风电机组主轴轴承径向力的计算50-51
• 3.6 本章小结51-52
• 第4章 风电机组主轴轴承受力状态的有限元分析52-70
• 4.1 引言52
• 4.2 有限元法简介52-53
• 4.3 有限元分析软件ANSYS的简介53
• 4.4 ANSYS软件的分析过程53-58
• 4.4.1 ANSYS的基本分析步驟53-54
• 4.4.2 创建有限元模型54-58
• 4.4.3 施加载荷并求解58
• 4.4.4 查看结果58
• 4.5 基于ANSYS的主轴轴承有限元分析58-69
• 4.5.1 主轴轴承有限元分析的假设条件59-60
• 4.5.2 三维实体模型的建立60
• 4.5.3 单元类型定义及材料属性的设置60-61
• 4.5.4 有限元模型网格的划分61-62
• 4.5.5 接触对的建立62-63
• 4.5.6 分析类型的定义63
• 4.5.7 施加约束条件63
• 4.5.8 加载求解63-66
• 4.5.9 应力分析结果66-69
• 4.6 本章小结69-70
• 第5章 风电机组主轴轴承的疲劳寿命预测70-78
• 5.1 引言70
• 5.2 名义应力的求解70-71
• 5.3 平均应力修正71-72
• 5.4 材料的S-N曲线72-73
• 5.5 风电机组主轴轴承的疲劳特性73-74
• 5.6 风电机组主轴轴承疲劳寿命的预测74-77
• 5.6.1 各种工况下主轴轴承的疲劳极限循环次数74-75
• 5.6.2 主轴轴承的转速75-76
• 5.6.3 各种工况下主轴轴承的疲劳寿命76-77
• 5.6.4 主轴轴承疲劳寿命的预测77
• 5.7 本章小结77-78
• 结论与展望78-80
• 全文总结78-79
• 未来工作展望79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-85
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文85

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