2 風(fēng)電機(jī)組疲勞分析
　　由于風(fēng)的湍流特性以及風(fēng)電機(jī)組使用期間載荷高循環(huán)次數(shù)，設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組時(shí)必須考慮疲勞。各自的載荷譜——包括載荷幅值和相應(yīng)的載荷循環(huán)，主要取決于風(fēng)電機(jī)組所有零件的動(dòng)力特性。因此，為了確定這些載荷，必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模和模擬。為使模擬結(jié)果產(chǎn)生精確而可靠的應(yīng)力估計(jì)，所用的工具和模型必須滿足較高標(biāo)準(zhǔn)和要求。
　　盡管軸承上的損壞是風(fēng)電機(jī)組上發(fā)生故障的主要根源，但其他零件也容易發(fā)生破壞。
　　為了方便起見(jiàn)，以660kW 的風(fēng)電機(jī)組為例進(jìn)行分析。齒輪箱的中軸斷裂，機(jī)組無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)（圖2）。

圖2 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱中間位置的斷軸

　　首先，要對(duì)短軸進(jìn)行宏觀檢查，然后做出三維模型以找出破壞的原因，最后計(jì)算出壽命周期。
　　3 宏觀檢查
　　將660kW風(fēng)電機(jī)組齒輪箱中的斷軸放在顯微鏡下（圖3），在表面上能夠清楚地看到破壞起始點(diǎn)的貝紋，表明系疲勞損壞。貝紋甚至顯示疲勞斷裂始于鍵槽兩側(cè)而非轉(zhuǎn)角處。裂紋產(chǎn)生后，沿著軸的橫截面擴(kuò)展直到斷裂。所見(jiàn)的貝紋線非常接近，這表明軸不是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以疲勞斷裂經(jīng)歷了很長(zhǎng)一段時(shí)間。斷裂發(fā)生的表面覆蓋著由于軸旋轉(zhuǎn)時(shí)裂縫一開(kāi)一合形成的氧化層，這是循環(huán)加載的結(jié)果。最后看到鍵槽的下表面變形，表明鍵沿著鍵槽移動(dòng)，導(dǎo)致了斷裂的發(fā)生。通過(guò)這些觀察可以看出軸的損壞是由于單向彎曲引起的低名義應(yīng)力疲勞載荷。
 

圖3 發(fā)生破壞的軸截面

　　4 有限元分析
　　我們做了一種簡(jiǎn)單的3D 有限元分析以驗(yàn)證這種方法。我們模仿了軸的一部分包括鍵槽，并且對(duì)鍵和齒輪都進(jìn)行了建模以應(yīng)用邊界條件（圖4 及圖5）。
　　對(duì)于模型的邊界條件，做適當(dāng)假設(shè)。假設(shè)軸的輸入面為剛性，且通過(guò)中心并橫向限制。輸出面也被用作剛性元素，且從各個(gè)方向限制。為了模擬滾軸，阻止沿橫向和縱向軸的旋轉(zhuǎn)。齒輪的一面在外圍方向上也要進(jìn)行阻止（圖6）。

圖4 軸的幾何外形

圖5 齒輪和鍵的外形