楊兆忠

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

隨著國(guó)家2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和目標(biāo)的確定，作為清潔能源主力軍的風(fēng)力發(fā)電迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。隨著風(fēng)力發(fā)電整體技術(shù)的進(jìn)步和評(píng)價(jià)上網(wǎng)的需求，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[1]向著功率等級(jí)越來越大的方向發(fā)展。大功率風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的主軸總成體積、質(zhì)量也越來越大，裝配難度越來越高。目前風(fēng)電機(jī)組的主軸總成裝配行業(yè)內(nèi)有水平裝配和垂直裝配兩種方式，為提升裝配效率并減少生產(chǎn)設(shè)備投入，絕大多數(shù)風(fēng)電整機(jī)生產(chǎn)采用垂直裝配。由于風(fēng)電機(jī)組主軸裝配完成后需要與齒輪箱水平對(duì)接，所以需要將主軸由垂直狀態(tài)翻轉(zhuǎn)調(diào)整至水平狀態(tài)。

目前行業(yè)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組主軸[1-2]翻轉(zhuǎn)以起重機(jī)主副鉤協(xié)同作業(yè)翻轉(zhuǎn)為主，天車主副鉤通過吊具與主軸的兩端連接（如圖1），先使用一個(gè)吊鉤將主軸吊起，再使用另外一個(gè)吊鉤拉主軸的另一端將其調(diào)整到水平狀態(tài)。該方式對(duì)起重機(jī)的噸位和廠房的承載有較高要求，為降低該工序?qū)ζ鹬貦C(jī)承載能力的依賴，降低天車投入和廠房建設(shè)成本，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備。設(shè)備只需借用起重機(jī)的較小拉力即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組主軸翻轉(zhuǎn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)主軸豎直與水平方向的位姿變換。設(shè)備的開發(fā)有效解決了主軸翻轉(zhuǎn)對(duì)起重設(shè)備噸位的依賴，解決了生產(chǎn)瓶頸問題。

圖1 使用起重機(jī)主副鉤對(duì)主軸翻轉(zhuǎn)

隨著風(fēng)電機(jī)組功率等級(jí)不斷增加，風(fēng)電機(jī)組部件的質(zhì)量也在不斷增大。為確保風(fēng)機(jī)生產(chǎn)組裝過程中的安全性，需對(duì)裝配過程中使用的承載設(shè)備強(qiáng)度進(jìn)行分析校核[3]，確保滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)作業(yè)過程出現(xiàn)的極限工況對(duì)風(fēng)電機(jī)組主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備本體和焊縫的強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算[3-7]，確保設(shè)備的強(qiáng)度和壽命滿足使用要求。

1 風(fēng)電機(jī)組主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備開發(fā)

風(fēng)電機(jī)組主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。該設(shè)備主要由翻轉(zhuǎn)盤、鎖緊銷、轉(zhuǎn)軸、底座和后支架等零部件組成。轉(zhuǎn)軸位置采用深溝球軸承進(jìn)行旋轉(zhuǎn)支撐。后支架可根據(jù)主軸的長(zhǎng)度來調(diào)整位置，以適應(yīng)不同型號(hào)風(fēng)電機(jī)組主軸的需求。

圖2 主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)

主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備用于輔助主軸翻轉(zhuǎn)的操作。圖3為主軸垂直放置狀態(tài)示意圖，在該狀態(tài)下，使用翻轉(zhuǎn)盤上的止口定位，并用螺栓對(duì)主軸法蘭和翻轉(zhuǎn)盤進(jìn)行緊固。設(shè)備與主軸連接所用的螺栓型號(hào)與產(chǎn)品上該位置使用的接口一致，以減少對(duì)產(chǎn)品的接口加工要求。為方便翻轉(zhuǎn)，主軸總成在放置到翻轉(zhuǎn)盤時(shí)，其重心位于轉(zhuǎn)軸軸線略偏后支架一側(cè)。此時(shí)翻轉(zhuǎn)設(shè)備上的兩個(gè)鎖緊銷處于插入狀態(tài)，避免主軸向后支架方向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生安全隱患。

圖3 主軸垂直放置狀態(tài)

當(dāng)主軸需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作時(shí)，拔出鎖緊銷，起重機(jī)通過吊具與主軸頂部連接，借助于起重機(jī)外力，斜拉主軸的頂部，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)主軸及翻轉(zhuǎn)盤，直至將主軸總成翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，最終將主軸落至后支架上（如圖4），從而完成主軸的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。然后拆卸主軸總成與設(shè)備的連接螺栓，使用天車將主軸總成轉(zhuǎn)至下工序與齒輪箱裝配。翻轉(zhuǎn)設(shè)備需借助起重機(jī)外力調(diào)整至圖2的狀態(tài)，插入鎖緊銷，以便下次使用。

圖4 主軸水平放置狀態(tài)

2 主軸翻轉(zhuǎn)過程極限工況分析

為了保證有限元分析的精確性，在邊界條件設(shè)置[8]前需對(duì)可能出現(xiàn)的各種極限載荷工況進(jìn)行分析。對(duì)本文研究的風(fēng)電機(jī)組主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備，需考慮主軸垂直和水平兩種狀態(tài)下的極限工況。結(jié)合設(shè)備后續(xù)需要翻轉(zhuǎn)的風(fēng)電機(jī)組主軸型號(hào)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量，取最重的主軸總成進(jìn)行分析，此次設(shè)計(jì)時(shí)考慮主軸總成質(zhì)量為50 t。主軸總成垂直放置在翻轉(zhuǎn)設(shè)備上時(shí)（如圖3），其重力均勻分布在翻轉(zhuǎn)盤4個(gè)接觸面，然后被傳遞至兩個(gè)轉(zhuǎn)軸及鎖緊銷上。主軸總成水平放置在翻轉(zhuǎn)設(shè)備上時(shí)（如圖4），重力由翻轉(zhuǎn)盤和后支架共同承擔(dān)。

3 主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備分析計(jì)算

3.1 靜強(qiáng)度分析

結(jié)合設(shè)備的材料屬性、零部件之間的接觸關(guān)系，建立有限元計(jì)算模型。結(jié)合設(shè)備在各極限工況的承載情況及承載位置，設(shè)置計(jì)算邊界條件。設(shè)置豎直狀態(tài)與水平狀態(tài)下，主軸總成翻轉(zhuǎn)設(shè)備有限元分析模型如圖5、圖6所示。在主軸總成處于垂直狀態(tài)工況時(shí)，對(duì)工裝的底面進(jìn)行全約束，主軸總成的重力均勻施加在翻轉(zhuǎn)盤與主軸的4個(gè)接觸面上。在主軸總成處于水平狀態(tài)工況時(shí)，對(duì)工裝的底面進(jìn)行全約束，結(jié)合主軸總成重心位置，將載荷施加在翻轉(zhuǎn)盤和尾部支架上。

圖5 豎直狀態(tài)下有限元模型

圖6 水平狀態(tài)下有限元模型

計(jì)算兩種極限工況下設(shè)備的強(qiáng)度和剛度，結(jié)合主軸的質(zhì)量和吊裝時(shí)沖擊載荷系數(shù)，在主軸與工裝接觸的位置施加外部載荷。由于設(shè)備中使用了多種材料，在查看有限元分析計(jì)算結(jié)果時(shí)，需結(jié)合每個(gè)部件的材料屬性進(jìn)行分析強(qiáng)度判斷。

圖7為主軸總成垂直工況下翻轉(zhuǎn)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為235 MPa，位置在轉(zhuǎn)軸支撐座處，該位置使用的材料為Q345B，屈服極限為315 MPa。圖8為主軸總成水平工況下翻轉(zhuǎn)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為288 MPa，位置在轉(zhuǎn)軸處，該位置使用的材料為42CrMo，屈服極限為410 MPa。主軸垂直和水平工況設(shè)備最大變形量分別為2.6 mm和2.3 mm，整體剛度較好。部件結(jié)構(gòu)安全裕度的定義為：Msult=［σ］/σm-1。其中：［σ］為設(shè)備選用材料的許用應(yīng)力值；σm為有限元分析計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值。［σ］=σs/n，其中：σs為材料的屈服極限值，其大小跟設(shè)計(jì)選擇材料的厚度相關(guān)；n為安全系數(shù)，通常取1.1。當(dāng)安全裕度大于0時(shí)，則設(shè)備強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)主軸垂直狀態(tài)下翻轉(zhuǎn)設(shè)備各處應(yīng)力分析，所設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)設(shè)備在垂直和水平兩個(gè)極限工況下的安全裕度均大于0，滿足強(qiáng)度要求。

圖7 主軸垂直狀態(tài)設(shè)備應(yīng)力云圖

圖8 主軸水平狀態(tài)設(shè)備應(yīng)力云圖

圖10 焊縫疲勞外推應(yīng)力分量

通過查看各部件應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備存在一定的優(yōu)化空間，可適當(dāng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)軸支撐座腹板的厚度，對(duì)腹板邊緣采用圓滑過渡以減小應(yīng)力集中。對(duì)轉(zhuǎn)軸軸肩，可適當(dāng)增大該處尺寸，增加圓角半徑，以降低應(yīng)力集中帶來的影響。在屈服極限應(yīng)力范圍內(nèi)，可適當(dāng)減小翻轉(zhuǎn)盤和底座部分鋼板的厚度，以減輕設(shè)備整體質(zhì)量。

3.2 設(shè)備的疲勞壽命分析

風(fēng)電機(jī)組主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備疲勞壽命分析與極限強(qiáng)度分析的有限元模型基本相同，該設(shè)備主體為焊接結(jié)構(gòu)，焊接件的疲勞損傷失效通常發(fā)生在焊縫的熱影響區(qū)。所以在有限元建模計(jì)算時(shí)需要對(duì)焊縫位置進(jìn)行特殊網(wǎng)格劃分處理，根據(jù)焊接處兩板中較薄的板厚尺寸，在焊縫處建立0.4倍和1倍焊接板厚兩層有限元網(wǎng)格單元。根據(jù)國(guó)際焊接協(xié)會(huì)的規(guī)定及Eurocode3 1-9[9]中的要求，有限元模型上最終焊址處的應(yīng)力值通過差值外推計(jì)算得到。本文采用國(guó)際焊接協(xié)會(huì)的應(yīng)力外推方法[10]，即在距離焊趾0.4倍壁厚位置和1.0倍壁厚位置提取有限元計(jì)算結(jié)果應(yīng)力值，再進(jìn)行線性差值外推計(jì)算出焊趾位置的應(yīng)力值。如果直接使用有限元模型上焊趾位置的應(yīng)力值，會(huì)存在應(yīng)力集中導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。對(duì)焊縫條數(shù)多且不規(guī)則的焊接件，可根據(jù)在模型上施加的極限載荷和各單位載荷時(shí)焊接件主體上的應(yīng)力分布，選擇應(yīng)力值大的位置作為熱點(diǎn)位置進(jìn)行重點(diǎn)分析，從而減少分析計(jì)算量。

通過有限元軟件的后處理模塊提取各個(gè)熱點(diǎn)在0.4倍壁厚位置和1.0倍壁厚位置的有限元模型節(jié)點(diǎn)上的正應(yīng)力及切應(yīng)力，再利用線性插值得到位于焊縫熱點(diǎn)處的應(yīng)力值。最終獲得各個(gè)熱點(diǎn)的應(yīng)力值［σ⊥f，τ⊥f，τ//f］與所施加單位載荷間的關(guān)系矩陣，并應(yīng)用雨流計(jì)數(shù)法獲得焊址處等效疲勞正應(yīng)力和等效疲勞切應(yīng)力。Eurocode3 1-9中焊縫的等效正應(yīng)力和切應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：σwf為焊縫的等效正應(yīng)力；τwf為焊縫的等效切應(yīng)力；σ⊥f為垂直于焊縫的正應(yīng)力；τ⊥f為垂直于焊縫的切應(yīng)力；τ//f為平行于焊縫的切應(yīng)力。

考慮疲勞安全系數(shù)，焊縫疲勞損傷判據(jù)為

式中：γM為焊縫的安全系數(shù)，取1.1；ΔσxS，d為焊縫的許用疲勞正應(yīng)力，由焊縫的疲勞等級(jí)確定；ΔτxyS，d為焊縫的許用疲勞切應(yīng)力，由焊縫的疲勞等級(jí)確定。

焊縫的許用疲勞正應(yīng)力和切應(yīng)力的數(shù)值可參考風(fēng)電行業(yè)GL規(guī)范中提供的焊接件SN曲線結(jié)合疲勞壽命循環(huán)次數(shù)推導(dǎo)得到。通過分析該設(shè)備的焊縫疲勞壽命也滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合風(fēng)電機(jī)組實(shí)際生產(chǎn)裝配需要，設(shè)計(jì)了一種用于大功率風(fēng)電機(jī)組主軸翻轉(zhuǎn)的設(shè)備。該設(shè)備可以借助較小的起重機(jī)外力，輕松完成大功率風(fēng)電機(jī)組主軸總成豎直到水平方向的位姿變換。通過對(duì)設(shè)備的強(qiáng)度和剛度計(jì)算及關(guān)鍵位置的焊縫疲勞壽命分析，確保滿足設(shè)計(jì)需求。設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用有效解決了主軸翻轉(zhuǎn)對(duì)起重機(jī)承載能力的依賴，解決了風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)瓶頸問題。設(shè)備的開發(fā)和分析計(jì)算過程為其它機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)提供指導(dǎo)。對(duì)設(shè)計(jì)的設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證（如圖11），達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，目前該設(shè)備已用于風(fēng)電機(jī)組的批量生產(chǎn)中。

圖11 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證