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。