風(fēng)電主軸制動(dòng)器摩擦副熱力耦合及其模型可信性評(píng)估.pdf

1、當(dāng)今能源短缺問題日益突出，風(fēng)能作為一種綠色環(huán)保、取之不竭的可再生能源，受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要途徑，而主軸制動(dòng)器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)（下稱“風(fēng)電”）制動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部分，在其制動(dòng)過程中扮演著無可替代的作用。主軸制動(dòng)器制動(dòng)中涉及熱與力間的相互耦合，摩擦副在摩擦力的作用下產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，而不均勻的溫度場(chǎng)引起不均勻的應(yīng)力場(chǎng)，摩擦副在反復(fù)的制動(dòng)過程中，易引發(fā)熱疲勞。針對(duì)熱力耦合的有限元分析，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，仿

2、真模型可信性問題也越來越被重視。
　　本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸制動(dòng)器摩擦副，采用ABAQUS非線性有限元分析軟件建立有限元分析模型，在正常制動(dòng)工況和緊急制動(dòng)工況下，分析了應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況，探究了制動(dòng)盤在交變循環(huán)熱應(yīng)力作用下制動(dòng)盤裂紋等失效形式產(chǎn)生的原因，在此基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)器疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，采用響應(yīng)面法對(duì)風(fēng)電主軸制動(dòng)器摩擦副熱力耦合模型進(jìn)行了可信性評(píng)估。研究方法也適合偏航制動(dòng)器或其他盤式制動(dòng)器摩擦副熱力耦合問題。
　

3、　本文主要研究工作和成果如下：
　　1）建立了摩擦副幾何模型和有限元模型，對(duì)比分析了不同工況下摩擦副溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布趨勢(shì)。發(fā)現(xiàn)不同工況下溫度場(chǎng)都是不均勻分布的，且呈現(xiàn)環(huán)狀溫度帶，在徑向和軸向溫度差較大，而周向較小，摩擦區(qū)域溫度大于非摩擦區(qū)域，制動(dòng)盤內(nèi)徑附近溫度變化較??；在整個(gè)制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤溫度先增高后逐漸減少，且呈現(xiàn)鋸齒狀變化；緊急制動(dòng)制動(dòng)盤最高溫度高于正常制動(dòng)下，故在緊急制動(dòng)下制動(dòng)盤更易產(chǎn)生破壞。
　　2）制動(dòng)盤應(yīng)力

4、場(chǎng)分布與溫度場(chǎng)相似，呈現(xiàn)環(huán)狀應(yīng)力帶，由于制動(dòng)盤熱流輸入和對(duì)流換熱的交替作用，使得應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線呈現(xiàn)鋸齒狀，并且緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)盤最大應(yīng)力大于正常制動(dòng)下；對(duì)最大應(yīng)力的三向應(yīng)力分量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)周向應(yīng)力大于軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，因此，周向應(yīng)力是導(dǎo)致制動(dòng)盤疲勞裂紋的主要應(yīng)力分量，因此在周向應(yīng)力作用下制動(dòng)盤易產(chǎn)生徑向裂紋。
　　3）對(duì)比了直接耦合和間接耦合方法下摩擦副熱力耦合結(jié)果的差異，發(fā)現(xiàn)兩種不同耦合方法下，制動(dòng)盤溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分

5、布相似，但在直接耦合法下，制動(dòng)盤最高溫度和最大應(yīng)力均位于摩擦區(qū)域內(nèi)，并且在實(shí)際工程中制動(dòng)盤裂紋也發(fā)生在摩擦區(qū)域內(nèi)，因此采用直接耦合法求解熱力耦合問題更加符合真實(shí)情況。
　　4）基于摩擦副熱力直接耦合分析結(jié)果，結(jié)合FE-SAFE疲勞分析軟件，基于曼森-科芬疲勞預(yù)測(cè)模型，考慮制動(dòng)盤循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線，得到了制動(dòng)盤在整個(gè)壽命周期制動(dòng)次數(shù)為4648，并且出現(xiàn)在制動(dòng)盤最大應(yīng)力處。
　　5）以材料導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和密度作為響應(yīng)面函數(shù)的自變

6、量，以中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，得到了設(shè)計(jì)參數(shù)空間內(nèi)的樣本點(diǎn)。對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，運(yùn)用逐步回歸獲得了響應(yīng)面模型，對(duì)響應(yīng)面模型進(jìn)行了精度驗(yàn)證，得到 R2判定系數(shù)為0.9647，相對(duì)均方根誤差為0.0032，表明響應(yīng)面能夠較準(zhǔn)確地代替有限元模型，響應(yīng)面編碼形式代理模型y=299.68-17.96A+7.14B-19.18C-4.3 BC+4.18A2-10.67B2-20.01A2B。
　　6）考慮隨機(jī)變量服從正態(tài)分布，利用蒙特卡洛