风电制动器主体结构有限元分析.docx

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? ? 风电制动器主体结构有限元分析 ? ? 尚振国,蔡卫国 (大连海洋大学机械与动力工程学院,辽宁 大连116023) 图1所示为某1.5 MW风力发电机用盘式制动器,其工作原理是用底座将制动器整体固定于机架上。制动时首先打开放油口将碟簧施力机构内的液压油放出,碟簧弹开驱动主动支架上的制动片压紧制动盘,制动盘安装于增速齿轮箱输出轴上,从而实现整台风机制动停车。其主体结构包括主动支架、被动支架、空心轴及底座。由于制动力较大,主体零件结构又较复杂,可能会产生较大的应力和变形,为保证安全有必要对其主体结构进行有限元分析。 图1 风电盘式制动器 1 材料属性 制动器主体零件材料属性见表1. 表1 材料属性 2 有限元模型 2.1 边界条件 对制动器施加的边界条件包括位移约束边界条件、接触边界条件和载荷边界条件,如图2所示。 该制动器通过底座底面进行安装、固定,因此对该底面施加全约束,如图2所示。 图2 有限元模型边界条件及网格划分 由于空心轴与被动支架的轴孔采用间隙配合,两者间定义为柔体-柔体接触,空心轴面为目标面,被动支架轴孔面为接触面。底座与空心轴采用过盈配合,两者间也定义为柔体-柔体接触,空心轴面为目标面,被动支架轴孔面为接触面。这样共定义4个接触对,如图2所示。 制动器制动时碟簧产生的最大弹性力为98 500 N,即制动时被动支架和主动支架所受制动盘的正压力为F=98 500 N,分别作用在主动支架与端盖相联的螺纹面上、被动支架与摩擦块相接触的凸台表面上(图2中虚线箭头所示),制动盘与摩擦块之间产生的摩擦力作用在被动支架、主动支架侧边螺栓孔上,最大摩擦力: Ff=F×μ=98 500×0.38=37 430 N 式中:μ为制动盘与摩擦块之间的摩擦系数,μ=3.8;F为摩擦块与制动盘之间的压力,F=98 500 N;Ff为摩擦块与制动盘间产生的摩擦力。 摩擦力由4个螺纹孔承担,每个孔加载18 715 N,如图2所示。 2.2 单元类型及网格划分 实体单元:采用实体单元Solid45对制动器进行网格划分,Solid45单元有8个节点,每个节点有3个平移自由度UX、UY、UZ,共生成357 348个单元,116 176个节点,如图2所示。 为了准确反映主动支架和被动支架在危险截面的应力状况,再按指定单元长度对危险截面部位进行网格局部细化,如图3所示。 图3 网格细化 接触单元:目标单元采用Target170,接触单元采用Conta174.空心轴与被动支架配合段圆柱面生成32 283个Target170单元,被动支架两孔面生成25 857个Conta174单元;空心轴与底座孔配合段生成16 993个Conta174单元,底座孔面生成180 803个Target170单元。 3 结果分析 计算结果如表2所示。 表2 计算结果 图4为主动支架应力云图,图中圆弧区域应力最大,即为前述危险截面处。图5为主动支架变形云图。 图4 主动支架应力云图 图5 主动支架变形云图 计算结果表明主体零件强度安全裕量较为充足,但主动支架、被动支架弯曲变形较大,刚度不足,建议局部增设加强筋或增加厚度。 4 结束语 建立某型风电盘式制动器整体有限元分析模型,通过对底座施加全约束,在空心轴与被动支架的轴孔间定义接触约束,在主动支架和被动支架上施加碟簧力和摩擦力,采用实体单元和接触单元进行网格划分,并对预估的危险界面处进行网格局部细化,得到制动器内部应力分布及变形分布规律,为改进制动器的结构设计提供了必要的依据。 ? -全文完-

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