gap单元在风电机组偏航轴承建模上的应用

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1、GAP单元在风电机组偏航轴承建模上的应用黄文、兰洋、李腾飞、戴晓亮（特变电工新疆新能源股份有限公司，西安，710119）摘要：针对风力发电机组偏航轴承结构与受力的复杂性，提出一种新的偏航轴承简化建模方法。本文主要对某MW级风电机组偏航轴承内圈与主机架连接螺栓、外圈与塔筒连接螺栓的强度进行分析，分析模型中利用GAP单元模拟偏航轴承滚珠与内外圈之间的接触来实现力的传递。结果表明，GAP单元可有效的模拟轴承实际受力及力的传递，从而为偏航轴承建模提供一种有效的简化方法。关键词：风力发电机组；GAP单元；偏航轴承；有限元；简化方法TheApplicationoftheGAPElementint

2、heYawBearingofWindTurbineHuangWen、LanYang、LiTengFei、DaiXiaoLiang（TBEASOLARCO.,LTD,Xi’an,710119）Abstract:Accordingtothecomplexityofwindturbineyawbearingstructureandstress,anovelapproachtosimplifyitwasproposed.Thepapermainlyanalysesthestressofboltswhichconnectthemain-frameandinnerring,andtowerand

3、outerringinoneMWwindturbine.TheGAPelementisusedtoreplacetheballforsimulatingthecontactandtransmissionofloads.TheresultindicatesthattheGAPelementcansimulatetheactualstressandtransferforceofthebearingeffectually,soitcanprovideaneffectivemethodforthemodelingofyawbearing.Keywords：thewindturbine,GAP

4、element,yawbearing,finiteelement,thesimplifymethod作者简介：黄文（1983-），男，硕士，硕士期间专业为机械设计，研究方向是风力发电机组，2011年毕业后一直从事风力发电机组研发工作。联系电话：13772179295，邮箱：88177347@qq.com。0引言轴承是风电机组的重要组成部件，主要包括主轴轴承、变桨轴承、偏航轴承、发电机轴承及齿轮箱轴承。其中偏航轴承通过螺栓分别与主机架和塔筒连接，维持偏航系统的稳定与运转，对整个机组的受力特性、稳定性、震动与噪音等都起着至关重要的作用。当风向改变时，偏航轴承旋转使风轮正对风向，以捕获更多

5、的风能[1]。偏航轴承是四点接触球轴承，尺寸庞大且结构复杂，当计算与偏航轴承相连零部件的强度时，若对偏航轴承采用实体建模，所需计算量较大，且计算过程不易收敛。这就需要寻求一种对偏航轴承有效的简化方法，既能提高计算效率，同时又不影响与之相连零部件的强度计算结果。文章利用有限元分析软件MSC.Marc/Mentat中的GAP单元[2]代替滚动体，模拟滚动体与内外圈之间的接触特性，来实现偏航轴承的简化及力的传递。同时对模型进行加载，计算轴承内外圈连接螺栓的强度，强度结果比较理想，可以为后期偏航轴承建模提供一种新的思路。1GAP单元的属性特征1.1GAP单元的模式GAP单元有三种模式：真实距

6、离模式，用于几何非线性分析；方向固定模式，用于体不穿透给定平面的线性或非线性几何分析中；第三种模式通过用户子程序GAPU中指定闭合距离和间隙方向，间隙方向和距离可在分析过程中被更新以模拟沿曲面的滑动[2]。1.2GAP单元特性描述假设GAP单元由A、B两点组成，A、B为内外圈与滚动体接触的对应节点对，A、B两点之间的初始间隙设为滚动体的直径Dw。在外力作用下，GAP单元的载荷-位移关系可由接触面的法向分量和切向分量来描述[2]。在未接触区，它不影响分析对象的运动状态；在接触区域，GAP单元的法向刚度将变得足够大以阻止接触体相互侵入[3]。当点对的相对位移小于初始间隙时，表明接触表面处

7、于接触状态，在GAP单元的法线方向就会存在法向力Fn，且法向力为负值，此时GAP单元犹如一个线性弹簧，其法向接触刚度为KA，内外圈就会通过GAP单元在A、B两点之间传递载荷；否则相对位移大于初始间隙时接触点对分离，接触表面为未接触状态，法向力Fn值为零，GAP单元不受力也不传递载荷，从而对分析对象的运动状态不产生影响。在切向方向，当法向力Fn<0且切向力Ft≤μFn(μ为接触面间摩擦系数)时，接触面保持接触且无相对滑动；当Fn<0且Ft>μFn时，则在接触