风力发电机传动轴的锻压成形计算机仿真

摘要：为了获得强度、塑性、韧性、疲劳强度及可靠性较高的风力发电机传动轴，分析了它的锻压成形工艺，建立了镦粗、冲孔、管端锻及法兰模锻四大锻压工序的有限元分析模型。运用有限元分析软件对其在四大锻压工序中温度及等效应变场进行了仿真分析。结果表明，不同锻压工序中的锻压温度及等效应变不同，在镦粗工序时温度最高，冲孔工序时温度变化最大，法兰模锻工艺时温度变化最小；镦粗工序时等效应变的变化最小，冲孔工序时等效应变的变化最大。

关键词：风力发电机；传动轴；锻压成形；仿真分析

随着世界各国对新能源不断的重视，人力、资金及技术等方面的大力投入，大量新能源产品如风力发电、电动汽车、太阳能路灯等环境友好型的产品被开发出来[1]。风力发电机的主要传动系由传动主轴、传动动轴、支撑轴承等三大部分组成，其主要作用是连接风力发电机叶片、轮毂、底座[2]。在风力发电机的实际工况中，其受到来自外界风载的作用力及力矩，外界自然环境如温度、湿度、光等影响，其实际工况极其复杂。传动轴作为风力发电机的主要传动及承载零件，材料及加工特性的好坏直接决定风力发电机的性能，因此在设计及制造时对其结构强度、动力学、疲劳寿命等方面要求较高。由于双轴承支撑传动轴的形式具有吸收大部分甚至全部风力发电实际工况载荷的优点，使得其在传动过程中受力状况得到了较大的改善，其传动和承载可靠性好。因此，在风力发电及其他新能源领域获得了非常广泛的应用。风力发电机传动轴一般制造工艺为铸造和锻造，锻件具有形状和尺寸精度高，表面光洁，加工工序少，便于自动化生产等优点，广泛应用于大型重要的机械零件加工中[3]。正因为锻压成形工艺有如此多优点，国内外众多学者对其理论、工艺及工程应用进行了研究。刘百宣等[4]运用DEFORM-3D仿真软件对汽车转向器输入轴锻造成形进行了研究；文献[3，5]等对曲轴、齿轮、连杆等各种零件的锻造成形及其应用进行研究和分析。基于此，本文以某直驱风力发电机传动轴为研究对象，首先分析其锻压成形过程，再运用有限元分析软件Qform建立传动轴锻压仿真模型，对其锻压过程中的温度、应变等参数进行仿真计算。该研究能为新能源风力发电传动轴结构设计、优化及成形工艺的改善及其制造工艺的工程应用提供有益的借鉴。

1风力发电机传动轴成形尺寸及锻压成形工艺方案

1.1风力发电机传动轴成形尺寸传动轴是风力发电传动系统中的主要零件。为了获得较好的强度、塑性、韧性、疲劳强度等力学性能，同时提高其使用可靠性，需要对其锻压成形工艺进行分析和研究。加工前期获得较好的坯料零件是其最终获得较好性能零件的基础。因此，本文对风力发电机传动轴坯件锻压成形工艺进行分析和研究，以便获得该工艺条件下最佳性能的传动轴坯料，为后续精加工尺寸精度及优良性能的保证提供重要的基础。风力发电机传动轴为内侧空心的空心轴，传动轴内侧由于配合面较少，其设计时为保证整体轴的力学性能优良，内侧很少考虑与其他零件的配合特性。而外侧由于要与轴承及其他传动零件进行配合连接，设计时需要考虑其加工特性及装配特性，其结构较为复杂。1.2风力发电机传动轴锻压工艺方案风力发电机传动轴由于其强度、塑性、韧性、疲劳强度及可靠性等要求较高，其为大型零件且后续精加工形状复杂及精度要求高。因此，对其锻压成形的毛坯件要求也较高。为了获得较好的锻压毛坯，需要对其锻压成形工艺及其相关参数进行深入的研究，对其实际锻压参数进行严格的控制，且对重要的参数利用现代化控制理论进行实时监测和调控，从而保证在锻压生产中工艺参数一直处于比较合适的状态，获得最佳性能的传动轴锻件。风力发电机传动轴锻压成形是将原材料钢锭加热到一定温度，然后对其进行镦粗和冲孔操作，由于其内侧是空心的，先对其内侧空心管进行管端锻成形，再对其外部法兰进行模锻成形。合适尺寸的原材料初始钢锭在特定加热炉中进行加热，加热好的钢锭在镦粗上下模的作用下进行镦粗；镦粗完成后在工件上进行冲孔，完成冲孔后由于工件热量不断散失需要对冲孔成形的工件进行再次加热，以便进行内侧空心管端锻及外部法兰粗锻操作；为了获得内侧较好的管径，在管端锻及法兰粗锻后需要对内侧进行精确的管端锻，使得传动轴内侧管成形较好。经过上述工艺操作工件热量又逐渐散失，需再次加热后进行最后的法兰精确模锻，从而完成整个锻造成形。

2有限元建模及仿真分析

2.1有限元建模根据风力发电机传动轴锻压成形工艺方案，运用三维建模软件SolidWorks建立传动轴锻压成形三维模型并进行组装.风力发电机传动轴锻压模型为初始原材料钢锭及由模具钢加工而成的上下模，传动轴锻压有限元网格模型有2356个单元，11578个节点。本文研究的风力发电机传动轴为AISI6000钢.对传动轴进行锻压成形，在锻压成形工艺过程中，首先将钢锭加热到1300℃，同时也将模具预热到300℃后，再进行锻压。2.2仿真分析根据上文分析的锻压成形的工艺过程及建立的有限元仿真模型和赋予的材料参数，运用专业锻压有限元分析软件Qform对传动轴锻压工艺过程温度及等效应变进行仿真分析，结果如图5、6所示。图5为风力发电机传动轴在不同锻压成形过程中温度分布云图，风力发电传动轴锻压过程中镦粗时最高温度为1325℃，最低温度为908℃，温度变化量为417℃；在冲孔时最高温度为1285℃，最低温度为856℃，温度变化量为429℃；在管端锻工艺时最高温度为1246℃，最低温度为974℃，温度变化量为272℃；在法兰模锻时最高温度为1294℃，最低温度为1208℃，温度变化量为86℃。由此可知，镦粗时温度最高，冲孔时温度变化量最大且最低温度也在此工艺过程中；法兰模锻时温度变化量最小，管端锻时温度分布及变化量处于中间；不同锻压工序下，锻件温度分布及变化呈现不同的趋势，为了获得最佳的锻压温度参数后续需要对其进行更加深入的研究。图6为风力发电机传动轴在不同锻压工序的等效应变分布云图。风力发电机传动轴锻压过程中镦粗时最大等效应变为2.15，最小等效应变为0.15；在冲孔时最大等效应变为15.80，最小等效应变为1.85，等效应变的差值为13.95；在管端锻时最大等效应变为10.65，最小等效应变为0.84，等效应变的差值为9.81；在法兰模锻时最大等效应变为10.39，最小等效应变为1.03。由此可知，镦粗时等效应变的差值最小，冲孔时等效应变的差值最大，而管端锻和法兰模锻等效应变的变化量分别为9.81和9.36，等效变化量较大，说明在冲孔、管端锻及法兰锻压过程中锻压变形较大。综上分析，风力发电机传动轴锻压成形过程主要由镦粗、冲孔、管端锻及法兰模锻等四大工序组成，其中不同锻压过程中的锻压温度及锻压等效应变不同，其中镦粗时温度最高，冲孔时温度变化最大且最低温度也在此工艺过程中，法兰模锻时温度变化最小；镦粗时等效应变的变化最小，冲孔时等效应变的变化最大。

3结语

运用三维建模软件及专业锻压有限元分析软件Qform建立了风力发电传动轴的三维模型及有限元仿真模型，对传动轴锻压成形工艺过程中镦粗、冲孔、管锻及法兰模锻四大锻压成形工序进行了有限元仿真。通过仿真分析研究了镦粗、冲孔、管锻及法兰模锻等四大锻压工序过程中的温度及等效应变分布规律，为风力发电传动轴及其相关零件的锻压成形的研究及其工艺优化改进、锻压模具设计和优化及锻压技术在轴类零件实际生产过程中的应用提供理论依据。

参考文献：

[1]刘志勇，傅彩明，毛文贵．风力发电机转子有限元仿真分析[J]．湖南工程学院学报：自然科学版，2012，22(1)：50-51．

[2]郑甲红，杜翠．2兆瓦风力4发电机主轴参数化建模与有限元分析[J]．陕西科技大学学报：自然科学版，2010，28(4)：67-69．

[3]陈淑婉，詹艳然，黄胜．弧齿锥齿轮冷锻过程的数值模拟研究[J]．热加工工艺，2013，42(11)：108-110．

[4]刘百宣，孙红星，刘华，等．基于DEFORM-3D的汽车转向器输入轴锻造成形研究[J]．热加工工艺，2012，41(9)：129-131．

[5]陈慧芳，刘雅辉，刘淑梅．曲轴热锻工艺链优化方法及其应用[J]．锻压技术，2015，40(1)：125-129.

作者:马东梅 廉挺 单位:新疆天山职业技术学院 山东工业学院冶金学院