風力發(fā)電機傳動軸的鍛壓成形計算機仿真
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摘要：為了獲得強度、塑性、韌性、疲勞強度及可靠性較高的風力發(fā)電機傳動軸，分析了它的鍛壓成形工藝，建立了鐓粗、沖孔、管端鍛及法蘭模鍛四大鍛壓工序的有限元分析模型。運用有限元分析軟件對其在四大鍛壓工序中溫度及等效應變場進行了仿真分析。結果表明，不同鍛壓工序中的鍛壓溫度及等效應變不同，在鐓粗工序時溫度最高，沖孔工序時溫度變化最大，法蘭模鍛工藝時溫度變化最??；鐓粗工序時等效應變的變化最小，沖孔工序時等效應變的變化最大。
關鍵詞：風力發(fā)電機；傳動軸；鍛壓成形；仿真分析
隨著世界各國對新能源不斷的重視，人力、資金及技術等方面的大力投入，大量新能源產(chǎn)品如風力發(fā)電、電動汽車、太陽能路燈等環(huán)境友好型的產(chǎn)品被開發(fā)出來[1]。風力發(fā)電機的主要傳動系由傳動主軸、傳動動軸、支撐軸承等三大部分組成，其主要作用是連接風力發(fā)電機葉片、輪轂、底座[2]。在風力發(fā)電機的實際工況中，其受到來自外界風載的作用力及力矩，外界自然環(huán)境如溫度、濕度、光等影響，其實際工況極其復雜。傳動軸作為風力發(fā)電機的主要傳動及承載零件，材料及加工特性的好壞直接決定風力發(fā)電機的性能，因此在設計及制造時對其結構強度、動力學、疲勞壽命等方面要求較高。由于雙軸承支撐傳動軸的形式具有吸收大部分甚至全部風力發(fā)電實際工況載荷的優(yōu)點，使得其在傳動過程中受力狀況得到了較大的改善，其傳動和承載可靠性好。因此，在風力發(fā)電及其他新能源領域獲得了非常廣泛的應用。風力發(fā)電機傳動軸一般制造工藝為鑄造和鍛造，鍛件具有形狀和尺寸精度高，表面光潔，加工工序少，便于自動化生產(chǎn)等優(yōu)點，廣泛應用于大型重要的機械零件加工中[3]。正因為鍛壓成形工藝有如此多優(yōu)點，國內(nèi)外眾多學者對其理論、工藝及工程應用進行了研究。劉百宣等[4]運用DEFORM-3D仿真軟件對汽車轉(zhuǎn)向器輸入軸鍛造成形進行了研究；文獻[3，5]等對曲軸、齒輪、連桿等各種零件的鍛造成形及其應用進行研究和分析?；诖?，本文以某直驅(qū)風力發(fā)電機傳動軸為研究對象，首先分析其鍛壓成形過程，再運用有限元分析軟件Qform建立傳動軸鍛壓仿真模型，對其鍛壓過程中的溫度、應變等參數(shù)進行仿真計算。該研究能為新能源風力發(fā)電傳動軸結構設計、優(yōu)化及成形工藝的改善及其制造工藝的工程應用提供有益的借鑒。
1風力發(fā)電機傳動軸成形尺寸及鍛壓成形工藝方案
1.1風力發(fā)電機傳動軸成形尺寸傳動軸是風力發(fā)電傳動系統(tǒng)中的主要零件。為了獲得較好的強度、塑性、韌性、疲勞強度等力學性能，同時提高其使用可靠性，需要對其鍛壓成形工藝進行分析和研究。加工前期獲得較好的坯料零件是其最終獲得較好性能零件的基礎。因此，本文對風力發(fā)電機傳動軸坯件鍛壓成形工藝進行分析和研究，以便獲得該工藝條件下最佳性能的傳動軸坯料，為后續(xù)精加工尺寸精度及優(yōu)良性能的保證提供重要的基礎。風力發(fā)電機傳動軸為內(nèi)側(cè)空心的空心軸，傳動軸內(nèi)側(cè)由于配合面較少，其設計時為保證整體軸的力學性能優(yōu)良，內(nèi)側(cè)很少考慮與其他零件的配合特性。而外側(cè)由于要與軸承及其他傳動零件進行配合連接，設計時需要考慮其加工特性及裝配特性，其結構較為復雜。1.2風力發(fā)電機傳動軸鍛壓工藝方案風力發(fā)電機傳動軸由于其強度、塑性、韌性、疲勞強度及可靠性等要求較高，其為大型零件且后續(xù)精加工形狀復雜及精度要求高。因此，對其鍛壓成形的毛坯件要求也較高。為了獲得較好的鍛壓毛坯，需要對其鍛壓成形工藝及其相關參數(shù)進行深入的研究，對其實際鍛壓參數(shù)進行嚴格的控制，且對重要的參數(shù)利用現(xiàn)代化控制理論進行實時監(jiān)測和調(diào)控，從而保證在鍛壓生產(chǎn)中工藝參數(shù)一直處于比較合適的狀態(tài)，獲得最佳性能的傳動軸鍛件。風力發(fā)電機傳動軸鍛壓成形是將原材料鋼錠加熱到一定溫度，然后對其進行鐓粗和沖孔操作，由于其內(nèi)側(cè)是空心的，先對其內(nèi)側(cè)空心管進行管端鍛成形，再對其外部法蘭進行模鍛成形。合適尺寸的原材料初始鋼錠在特定加熱爐中進行加熱，加熱好的鋼錠在鐓粗上下模的作用下進行鐓粗；鐓粗完成后在工件上進行沖孔，完成沖孔后由于工件熱量不斷散失需要對沖孔成形的工件進行再次加熱，以便進行內(nèi)側(cè)空心管端鍛及外部法蘭粗鍛操作；為了獲得內(nèi)側(cè)較好的管徑，在管端鍛及法蘭粗鍛后需要對內(nèi)側(cè)進行精確的管端鍛，使得傳動軸內(nèi)側(cè)管成形較好。經(jīng)過上述工藝操作工件熱量又逐漸散失，需再次加熱后進行最后的法蘭精確模鍛，從而完成整個鍛造成形。
2有限元建模及仿真分析
2.1有限元建模根據(jù)風力發(fā)電機傳動軸鍛壓成形工藝方案，運用三維建模軟件SolidWorks建立傳動軸鍛壓成形三維模型并進行組裝.風力發(fā)電機傳動軸鍛壓模型為初始原材料鋼錠及由模具鋼加工而成的上下模，傳動軸鍛壓有限元網(wǎng)格模型有2356個單元，11578個節(jié)點。本文研究的風力發(fā)電機傳動軸為AISI6000鋼.對傳動軸進行鍛壓成形，在鍛壓成形工藝過程中，首先將鋼錠加熱到1300℃，同時也將模具預熱到300℃后，再進行鍛壓。2.2仿真分析根據(jù)上文分析的鍛壓成形的工藝過程及建立的有限元仿真模型和賦予的材料參數(shù)，運用專業(yè)鍛壓有限元分析軟件Qform對傳動軸鍛壓工藝過程溫度及等效應變進行仿真分析，結果如圖5、6所示。圖5為風力發(fā)電機傳動軸在不同鍛壓成形過程中溫度分布云圖，風力發(fā)電傳動軸鍛壓過程中鐓粗時最高溫度為1325℃，最低溫度為908℃，溫度變化量為417℃；在沖孔時最高溫度為1285℃，最低溫度為856℃，溫度變化量為429℃；在管端鍛工藝時最高溫度為1246℃，最低溫度為974℃，溫度變化量為272℃；在法蘭模鍛時最高溫度為1294℃，最低溫度為1208℃，溫度變化量為86℃。由此可知，鐓粗時溫度最高，沖孔時溫度變化量最大且最低溫度也在此工藝過程中；法蘭模鍛時溫度變化量最小，管端鍛時溫度分布及變化量處于中間；不同鍛壓工序下，鍛件溫度分布及變化呈現(xiàn)不同的趨勢，為了獲得最佳的鍛壓溫度參數(shù)后續(xù)需要對其進行更加深入的研究。圖6為風力發(fā)電機傳動軸在不同鍛壓工序的等效應變分布云圖。風力發(fā)電機傳動軸鍛壓過程中鐓粗時最大等效應變?yōu)?.15，最小等效應變?yōu)?.15；在沖孔時最大等效應變?yōu)?5.80，最小等效應變?yōu)?.85，等效應變的差值為13.95；在管端鍛時最大等效應變?yōu)?0.65，最小等效應變?yōu)?.84，等效應變的差值為9.81；在法蘭模鍛時最大等效應變?yōu)?0.39，最小等效應變?yōu)?.03。由此可知，鐓粗時等效應變的差值最小，沖孔時等效應變的差值最大，而管端鍛和法蘭模鍛等效應變的變化量分別為9.81和9.36，等效變化量較大，說明在沖孔、管端鍛及法蘭鍛壓過程中鍛壓變形較大。綜上分析，風力發(fā)電機傳動軸鍛壓成形過程主要由鐓粗、沖孔、管端鍛及法蘭模鍛等四大工序組成，其中不同鍛壓過程中的鍛壓溫度及鍛壓等效應變不同，其中鐓粗時溫度最高，沖孔時溫度變化最大且最低溫度也在此工藝過程中，法蘭模鍛時溫度變化最??；鐓粗時等效應變的變化最小，沖孔時等效應變的變化最大。
3結語
運用三維建模軟件及專業(yè)鍛壓有限元分析軟件Qform建立了風力發(fā)電傳動軸的三維模型及有限元仿真模型，對傳動軸鍛壓成形工藝過程中鐓粗、沖孔、管鍛及法蘭模鍛四大鍛壓成形工序進行了有限元仿真。通過仿真分析研究了鐓粗、沖孔、管鍛及法蘭模鍛等四大鍛壓工序過程中的溫度及等效應變分布規(guī)律，為風力發(fā)電傳動軸及其相關零件的鍛壓成形的研究及其工藝優(yōu)化改進、鍛壓模具設計和優(yōu)化及鍛壓技術在軸類零件實際生產(chǎn)過程中的應用提供理論依據(jù)。
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作者:馬東梅 廉挺 單位:新疆天山職業(yè)技術學院 山東工業(yè)學院冶金學院