兆瓦级风力发电机偏航轴承疲劳损伤分析

摘要

近年来，我国风电事业得到迅速的发展。但与此相矛盾的是，我国风机技术落后，许多关键技术及设备依旧依赖进口。风力机上的关键设备偏航轴承是一种大型四点接触球轴承，工作时承受径向力、径向力和倾覆力矩的联合作用。由于尺寸大、转速低、受力复杂等原因，普通标准轴承的分析方法在此已经不再适用，有必要对其开展针对性的分析和研究。为了实现风机关键设各国产化，掌握核心技术，本文对偏航轴承的疲劳损伤问题展开分析和研究。
　　 (1)为得到作用于偏航轴承上的外载荷，本文提出一种基于坐标变换原理的方法将作用在风机上的外载荷传递到偏航轴承上。该方法可以很方便的将作用在外圈上的载荷表示为风机运动参数的函数，使计算过程更加程式化。
　　 (2)为了求出承受一定外载荷下偏航轴承各滚球处的接触载荷分布，采用坐标变换的方法将受载前、后偏航轴承内外圈之间的相对运动通过变换矩阵联系起来，通过求解该相对运动参数为未知量的整体静力平衡方程得到各滚球位置处的接触载荷。采用三种作用于偏航轴承的外载荷状况对其接触载荷分布进行计算。结果表明，倾覆力矩对接触载荷分布的大小和方式影响最大，接触载荷整体分布基本上符合正弦规律。求得了偏航轴承各滚球位置处的接触载荷后，根据线弹性力学理论即可获得滚球和滚道之间的接触椭圆及接触应力，为接触区域疲劳损伤分析、偏航轴承的设计和选型提供了理论依据。
　　 (3)在接触区域的疲劳损伤分析上，为了研究塑性流动对接触区域损伤的影响，基于连续损伤力学的方法，采用能综合反映损伤、等向硬化、随动硬化等因素的接触区域材料的非线性力学本构模型。数值仿真时，在非线性有限元软件包的用户材料子程序接口UMAT中编写了该非线性材料本构模型子程序。结合线弹性接触力学对分析结果从应力和塑性应变两个方面进行了讨论。从应力角度，接触区域下交变的剪切应力是导致接触表面以下初始裂纹的产生和扩展的主要原因，与线弹性接触力学理论相一致。分析结果还说明Mises应力可以综合反映各应力分量对损伤的影响。从塑性应变的角度，各个方向的塑性应变都会在很大程度上影响到初始裂纹的产生和扩展。另外，损伤最大值并不发生于接触表面，而是发生在接触区域硬化层以下一定深度的地方，这与实际情况及线弹性接触力学理论相符合。该分析结果还可为硬化层深度的确定和表面处理工艺提供一定的依据。

目录

第一章 绪论

第二章 偏航轴承接触载荷计算

第三章 风力机偏航轴承疲劳损伤分析

第四章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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