基于VC++的風(fēng)力機(jī)主軸強(qiáng)度分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁帶英,劉勇彪

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系,四川德陽 618000）

0 引言

主軸作為風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵零部件，在整個(gè)系統(tǒng)承擔(dān)著支撐輪轂處傳遞過來的各種負(fù)載的作用，并將扭矩傳遞給增速齒輪箱，將軸向推力、氣動(dòng)彎矩傳遞給機(jī)艙、塔架[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常年在野外工作，工況條件比較惡劣，溫度、濕度和風(fēng)載荷變化很大，有沖擊載荷，要求主軸有良好的耐沖擊、長壽命和高可靠性。由于主軸承受的載荷非常大，而且軸很長，容易變形，因此在對(duì)主軸的設(shè)計(jì)過程中，強(qiáng)度分析尤為重要。

1 主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

主軸是傳動(dòng)鏈的重要組成部分，它的形狀一般是簡單的階梯軸，具有足夠的強(qiáng)度和抗疲勞性能。主軸的前端安裝著輪轂；后端通過脹緊套與增速齒輪箱相連，這種錐面過盈配合聯(lián)結(jié)方法避免了在軸上開槽，簡化了主軸的結(jié)構(gòu)，減少了應(yīng)力集中，提高了主軸的強(qiáng)度，使得主軸具有傳遞大扭矩和承受大沖擊負(fù)荷的能力[2]。

2 強(qiáng)度分析系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境介紹

將面向?qū)ο蟮乃枷脒\(yùn)用到主軸強(qiáng)度分析系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，將復(fù)雜的強(qiáng)度分析過程分解為多個(gè)能夠完成獨(dú)立功能的對(duì)象，然后把這些對(duì)象組合起來去完成這個(gè)復(fù)雜的問題。系統(tǒng)運(yùn)用Microsoft Visual Studio.NET作為開發(fā)平臺(tái)，按照強(qiáng)度分析類別，分別建立功能模塊，以數(shù)據(jù)為中心，以功能為基礎(chǔ)，使程序設(shè)計(jì)過程更自然，更直觀。

2.2 分析系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)將主軸的強(qiáng)度分析分為靜強(qiáng)度分析和疲勞強(qiáng)度分析2大部分，分別建立功能模塊。軸類零件是較為典型的機(jī)械零件，對(duì)于這類零件的設(shè)計(jì)已經(jīng)擁有了相對(duì)豐富的資料和經(jīng)驗(yàn)，模塊中各個(gè)計(jì)算程序的算法都來自于成熟的理論與經(jīng)驗(yàn)，這樣一來，就保證了本系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)均采用交互式輸入，能夠根據(jù)計(jì)算程序的需要自動(dòng)判斷輸入的數(shù)據(jù)是否滿足要求，并能根據(jù)具體情況，給用戶彈出相應(yīng)的提示信息，方便用戶的使用，保證程序運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 工作原理與程序?qū)崿F(xiàn)

首先根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)或經(jīng)驗(yàn)值輸入主軸的位置尺寸，各個(gè)需要分析截面的形狀參數(shù)和應(yīng)力參數(shù)。接著進(jìn)入分析流程，通過輸入輪轂中心的載荷，結(jié)合主軸的形狀位置尺寸，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出輪轂中心、主軸承以及漲緊套3處的受力情況，由這3點(diǎn)的受力情況，根據(jù)用戶輸入各個(gè)截面的相關(guān)參數(shù)，即可得到各個(gè)截面的受力情況，并在程序中直接顯示出大小和位置。方便用戶的分析與獲取。同樣根據(jù)3點(diǎn)的受力情況，運(yùn)用第三強(qiáng)度理論與第四強(qiáng)度理論，對(duì)主軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。圖1為程序工作原理，所列公式均為軸強(qiáng)度分析通用公式[3-5]，在參考文獻(xiàn)中有詳細(xì)描述。

為了更加詳細(xì)具體地描述系統(tǒng)的工作過程，下面給出程序工作流程如圖2。

2.4 結(jié)果數(shù)據(jù)的處理

圖2 程序工作流程圖

最終計(jì)算得到的結(jié)果對(duì)我們的設(shè)計(jì)開發(fā)工作具有一定的指導(dǎo)意義，因此計(jì)算結(jié)果應(yīng)該能被方便導(dǎo)出和存儲(chǔ)，系統(tǒng)運(yùn)用文件基類(CFile類)[6]函數(shù)將其以.txt文件格式輸出保存。這些目的的實(shí)現(xiàn)主要通過調(diào)用CFile類下面的相關(guān)函數(shù)來完成。給出的結(jié)果文件包含所有計(jì)算用到的參數(shù)，信息全面，不僅能夠給用戶一個(gè)全面完整的結(jié)果報(bào)告，而且能夠讓用戶全面地了解計(jì)算或設(shè)計(jì)過程，以便從總體上來把握設(shè)計(jì)和分析過程。

圖1 程序工作原理圖

3 實(shí)際算例

以某兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸靜強(qiáng)度分析為例。首先計(jì)算靜強(qiáng)度計(jì)算。輪轂中心處受到的力為：Fx=-6 kN，F(xiàn)y=278.2 kN，F(xiàn)z=-313.7 kN, 承受的力矩為Mx=-67.3 kNm，My=580.4 kNm，Mz=9.8 kNm，負(fù)號(hào)代表方向。材料的屈服極限為1 050 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 250 MPa[7]。在界面中輸入主軸以及各個(gè)截面的位置和形狀參數(shù)以及各截面的相關(guān)計(jì)算參數(shù)，如圖3所示。其中截面1屬于圓角處的應(yīng)力集中。截面2為主軸軸承與軸的過盈配合。截面3為溝槽處的應(yīng)力集中點(diǎn)。截面4為螺紋引起的應(yīng)力集中。截面5為過渡圓角引起的應(yīng)力集中。截面6為過渡圓角引起的應(yīng)力集中。截面7為漲緊套與軸的配合聯(lián)結(jié)引起的應(yīng)力集中。

圖3 參數(shù)輸入界面

圖4 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

圖5 有限元計(jì)算結(jié)果云圖（MPa）

接著進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。計(jì)算完全符合要求。就一般的強(qiáng)度分析要求來說，它比單獨(dú)運(yùn)用有限元軟件運(yùn)算速度要快，比人工查表計(jì)算要更加準(zhǔn)確、高效。雖然沒有有限元軟件算的詳細(xì)具體，但是能在設(shè)計(jì)的開始階段快速地對(duì)主軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，對(duì)其定性的認(rèn)識(shí)，從而把握好設(shè)計(jì)方向，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，避免后續(xù)大規(guī)模修改。

4 結(jié)論

通過軟件將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸強(qiáng)度分析過程，融合在一個(gè)界面來完成，使得傳統(tǒng)繁雜的查表計(jì)算變得簡單易行，并且效率得到很大提高，所生成的結(jié)果文件也能直接作為設(shè)計(jì)研發(fā)的參考依據(jù)。將傳統(tǒng)的理論計(jì)算與現(xiàn)代的有限元分析方法相結(jié)合，一個(gè)從宏觀的角度，另一個(gè)從微觀的角度來加以分析，可以使得分析過程更加全面、具體。將傳統(tǒng)手工查表計(jì)算的方法軟件化，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法發(fā)展的必然選擇。

由圖4知，截面1、3處安全系數(shù)最小，屬于最為危險(xiǎn)的截面。此2處均為軸肩處。

為了驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，將圖3中力與力矩的數(shù)據(jù)以邊界條件的形式加到有限元軟件中對(duì)主軸進(jìn)行靜強(qiáng)度分析[8]，此處使用的是MSC.Marc軟件來進(jìn)行分析。分析結(jié)果如圖5。

由圖5可以清晰的看到應(yīng)力最大的位置在2軸肩處，采用MSC.Marc2005r2求解器計(jì)算得到的主軸靜強(qiáng)度的最大應(yīng)力為24.00 MPa。由此可見本系統(tǒng)

[1] 宮靖遠(yuǎn).風(fēng)電場工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2004.

[2] Tony Burton,David Sharpe,Nick Jenkins,et al.Wind Energy Handbook[M].John Wiley&Sons,LTD,2001.

[3] 楊W，布迪納斯 R.羅氏應(yīng)力應(yīng)變公式手冊(cè)[K].北京：科學(xué)出版社，2005.

[4] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].5卷.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[5]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)——軸及其聯(lián)接[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[6] Stanley B，Lippman，Barbara E，等.C++Primer中文版[M].4版.北京:人民郵電出版社，2006.

[7] 朱中平.世界常用鋼號(hào)手冊(cè)[M].北京：中國物資出版社，2003.

[8] 徐尚龍，薛河，劉金依.提升機(jī)主軸的應(yīng)力分析[J].煤礦機(jī)械，2002（3）：31-32.