（江苏中车电机有限公司 江苏大丰 224100）
摘要：本文通过ABAQUS有限元分析软件并根据第四强度理论Mises等效应力准则分析了3MW发电机主轴的应力分布及疲劳强度，对比分析了采用两种不同的材料35CrMo和Q345D主轴的应力分布和挠度情况。根据有限元分析结果，两种不同材质的主轴能够满足发电机的使用要求，通过对比分析，主轴材料由成本更低的Q345D替换35CrMo可行。
关键词：发电机主轴；有限元分析；疲劳强度；材料优化
Analysis of Fatigue Strength and Material Substitution of 3MW Doubly-Fed Wind Turbine Main Shaft
Wang Qingbing1；Zhu Lingshuai
（1.Jiangsu CRRC Motor Co.，Ltd.，Dafeng 224100，China）
In this paper，the stress distribution and fatigue strength of the 3MW generator main shaft are analyzed by ABAQUS finite element analysis software and according to the fourth strength theory Mises equivalent stress criterion，and the stress distribution and deflection of the two different materials 35CrMo and Q345D main shaft are analyzed.According to the results of finite element analysis，two main shafts with different materials can meet the requirements of the generator.Through comparative analysis，the main shaft material is feasible to replace 35CrMo with the lower cost Q345D.
Key words：Keywords：generator main shaft；finite element analysis；fatigue strength；material optimization
随着全球环境的不断恶化，开发绿色能源已经成为全球各国发展的主要方向，风电作为绿色能源，已成为部分国家新增电力供应的重要组成部分，更是绿色能源的重要组成部分，随着全球发展可再生能源的共识不断增强，风电在能源电力系统中发挥越来越重要作用。近年来，全球风电市场竞争愈加激烈，同时随着国家对风电行业补贴的取消，风电行业进入微利时代，降本增效成为风电行业的主要课题。本文通过有限元分析的分析方法，论证并对比了两种不同材质的2MW双馈风力发电机的主轴的应力分布及疲劳强度，为主轴材料的降本优化提供依据。
1.转轴使用条件
发电机转子结构如1-1所示，转轴在转子服役过程中主要承受转子线圈、冲片、风扇及滑环的重力、由挠度所引起的单边磁拉力以及齿轮箱侧的外力。风力发电机的使用寿命要求为25年，所以发电机转轴在不同转速下使用寿命需要在25年以上，并且发电机全生命周期内转速随时变化，受到交变应力的作用。
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1转轴 2转子线圈 3转子冲片4转子风扇 5滑环
图1-1 转子结构
2 转轴受力分析
转轴受力分析如图2-1所示。
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图2-1 转轴受力情况分析
3 有限元分析
3.1 分析条件
1）35CrMo执行GB/T 33084-2016 大型合金结构钢锻件，其材料属性：弹性模量E=2.1e5Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3，屈服强度σs=490MPa，抗拉强度σb=685MPa，疲劳极限σ-1=431MPa（疲劳极限摘自《机械设计手册第5版第6卷现代设计理论与方法》第3章表40.3-1）。
2）Q345D执行GBT 1591-2018 低合金高强度结构钢，其材料属性为：弹性模量E=2.06e5Pa，泊松比μ=0.26，密度ρ=7850kg/m3，屈服强度σs=275MPa，抗拉强度σb=450MPa，疲劳极限σ-1=250MPa（疲劳极限摘自《机械设计手册第5版第6卷现代设计理论与方法》第3章表40.3-1）。
3.2 转轴边界条件
转轴采用静力学分析，采用六面体单元划分，单元总数为551304，节点总数为578627，有限元模型非驱动端单边固定约束。
3.3 分析计算结果
3.3.1 35CrMo与Q345D材质的转轴应力分析对比
图 3.3.1-2 Q345D材质的转轴应力云图
从图3.3.1-1和3.3.1-2可知，两种材料的转轴最大Mises应力集中在单边磁拉力位置处，其中35CrMo材质转轴最大应力为14.639MPa，安全系数为490MPa/14.639MPa=33.5。Q345D材质转轴最大应力为14.805MPa，安全系数为275MPa/14.805MPa=18.6，安全裕度也较大。虽然35CrMo材质转轴较Q345D材质转轴安全系数有一定的优势，但是考虑两者安全系数冗余度都较大，完全可以满足要求，Q345D材质转轴可代替35CrMo材质转轴。
3.3.2 35CrMo与Q345D材质的转轴挠度分析对比
图 3.3.2-2 Q345D材质的转轴挠度变形云图
从图3.3.2-1和3.3.2-2可知，转轴最大挠度变形集中在单边磁拉力位置处，35CrMo材质转轴最大挠度为0.136mm，小于发电机定转子气隙的1/20=0.15mm；Q345D材质转轴最大挠度为0.139mm，也是小于发电机定转子气隙的1/20=0.15mm，两者材质转轴都满足使用要求。从挠度分析，Q345D材质转轴可代替35CrMo材质转轴可行。
4 结论
1）35CrMo材质的转轴最大Mises应力为14.639MPa，安全系数为490/14.639=33.5，安全裕度较大；且最大应力远小于疲劳极限σ-1=431MPa，为无限寿命设计；最大挠度为0.136mm，小于许用挠度值0.15mm，满足使用要求。
2）Q345D转轴最大Mises应力集中在单边磁拉力位置处，最大应力为14.805MPa，安全系数为275/14.805=18.6，安全裕度较大；且最大应力远小于疲劳极限σ-1=250MPa，为无限寿命设计；最大挠度为0.139mm，小于许用挠度值0.15mm，满足使用要求。
3）该转轴目前采用的材质35CrMo，可由Q345D取代以降低成本。
参考文献：
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