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摘 要：我国传统的发电方式以火力发电为主，但是随着煤炭能源储量降低以及人们环保意识的增强，探寻一种效率高、无污染的新型发电方式成为了解决电力问题的关键。风力发电以自然风为动力，实现了风力到电力的转化，成为电力研发的新方向。但是风力发电机组的内部机械零部件疲劳问题，不仅影响了风电机组的正常稳定运行，还会降低设备本身的使用寿命，提高了后期养护成本。因此，加强内部零部件抗疲劳设计成为风力发电部门的重要工作。
关键词：风力发电机；机械零部件；抗疲劳设计
一、影响风电机组结构疲劳寿命的常见原因
1、缺口效应
由于各风电机组的工作任务不尽相同，因此在结构组成上（例如在内部机械零部件的槽沟深度、切口截面以及孔径等）都会有一定的差异，我们通常称其为零部件的缺口。从功能构成方面来说，这些缺口的存在是为了满足不同风电机组的实际工作需要，对于保证机器的正常运行有积极作用。但是从机械局部应力方面看，这些缺口的存在却直接降低了整个风力发电机组的疲劳强度。当风力发电机组开始工作后，在零部件的运作下，机组内部结构的应力就会逐渐集中在某一部位，从整体上看，这些应力集中对静强度没有明显影响，但是由于零部件处于循环荷载作用下，所承受的应力小于屈服应力，因此会对疲劳强度产生较大影响，如果不能及时修正，就会加快零部件的磨损、老化。
2、机械表层应力状态的影响
随着设备使用年限的增加，一些内部机械零件的表层会出现不同程度的磨损，导致原机械表层的粗糙程度降低、摩擦力减小，还有可能出现表层组织结构的淬火现象，影响风力发电机组的工作效率。在出现这种问题后，通常会采用表面冷作变形来提高零部件的疲劳强度，其作用原理是利用表面冷作变形的外力作用，使零部件的表层发生微妙的物理性变化，提高零部件的应力状态。需要注意的是，表面冷作变形方法的处理对象仅仅局限于拉力应力所导致的疲劳损失，像零部件相互间的挤压、滚压等，通常不会对零部件造成直接性的疲劳损失，在使用冷作变形处理时，要注意掌握好处理量，如果处理時间过长，还有可能引起零部件表面损失，出现细小裂纹等问题。
二、疲劳荷载的来源
根据风力发电机组的运行时间不同，可以将机组承受的荷载分为周期性荷载和随机性荷载。其中周期性荷载的主要来源是叶轮转动方位角函数周期性变化的效应，例如常见的重力荷载、塔影及风剪切等；而随机性荷载的主要来源则是风紊流的随机性。在此基础上分析风力发电机组所受到的疲劳荷载来源，可以归纳为以下几种：
第一种是在叶轮转动过程中，重力弯矩所产生的交变荷载。在风力发电机组正常工作环境下，叶轮由于受风力和地球重力的作用产生转动，我们以转速为20r/min的风力机叶轮为例，我国大型风力发电机的设计寿命为20年，但是实际使用寿命约为15年左右，假设15年内风力发电机组一直处于理想工作状态，那么叶轮的转动次数可以达到1.5-2.0亿次左右，在每次的转动过程中，由于受地球引力的作用，叶片上的分力就会产生变化，从而引起弯矩的改变，造成叶片的交变荷载。
第二种是由于叶轮在制造时不可避免的存在质量偏心，即叶轮质心与叶轮转动中心不在一点上，所以叶轮在转动时由于质量偏心而产生交变载荷。
第三种是大型风力机的叶轮一般是多叶片的，由于存在垂直风速梯度与水平风速梯度，造成风速在叶轮扫掠面上的不均匀性分布，各个叶片上的速度矢量三角形将不相等。当叶轮在转动过程中叶轮轴不可能精确地对准风向，叶轮所受到的气动力总是无法与叶轮的中心重合，气动中心处于变动的状态下，从而给叶轮造成交变载荷。此外，由于风速在时刻变化，其湍流、阵风等都对叶轮产生激振力。
三、风力发电机组零部件抗疲劳设计的原则
1、无限寿命设计准则
无限寿命设计准则是最早的抗疲劳设计准则，它要求零部件的设计应力低于其疲劳极限，从而具有无限寿命。对于要求长期安全使用，而对自重没有严格要求的零部件，它仍然是一种合理的设计准则。
2、有限寿命设计准则
工程应用中称按有限寿命设计为安全寿命设计。有限寿命设计只保证零构件在规定的使用期限内能够安全使用，因此，它允许零构件的工作应力超过其疲劳极限，从而自重可以减轻。它是当前许多行业中机械产品的主导设计准则。如航空工业、汽车工业等对自重有较高要求的产品都广泛使用这种设计准则。有限寿命设计必须考虑安全系数，以考虑疲劳数据的分散性和其它未知因素的影响。
3、破损—安全设计
该准则的设计标准是允许风力发电机组内部零部件出现裂缝、磨损等疲劳现象，但是要求将零部件的疲劳问题控制在一定范围内，并在最短时间内通过修复、更换更多种手段，提升破损零、老化部件的抗疲劳程度，防止风力发电机组出现运行故障。
四、抗疲劳设计方法
1、名义应力法
以名义应力为基本设计参数的抗疲劳设计法称为名义应力法，是最早使用的抗疲劳设计方法，也称为常规疲劳设计或影响系数法。其设计思路是：从材料的S？N曲线出发，再考虑各种影响因数的影响，得出零构件的S？N曲线，并根据零构件的S？N曲线进行抗疲劳设计。
2、局部应力应变法
以应变集中处的局部应力、应变为基本设计参数的抗疲劳设计方法。它的设计思路是：零构件的破坏都是从应变集中部位的最大应变集中处起始，并且在裂纹萌生以前都要产生一定的局部塑性变形，而局部塑性变形是疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件，因此，决定零构件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应变。
3、损伤容限设计
这种抗疲劳设计方法是破损—安全设计准则的体现和改进。它假定零构件内存在有初始裂纹，而应用断裂力学方法来估算其剩余寿命，并通过试验来校验，确保在使用期（或检修期）内裂纹不致扩展到引起破坏的程度，从而使有裂纹的零部件在其使用期内能够安全使用。它适用于裂纹扩展缓慢而断裂韧度高的材料。
4、疲劳可靠性设计
疲劳可靠性设计是根据零部件的工作应力与疲劳强度相联系的统计方法而进行的抗疲劳设计方法，是概率统计方法与抗疲劳设计相结合的产物，所以也称为概率疲劳设计。
每种抗疲劳设计方法都有一定的适用范围，并不能完全互相取代。从目前来看，对于高周疲劳问题，仍以名义应力法为主。对于低周疲劳，则局部应力应变法具有先天的优越性，但它只能计算裂纹形成寿命，需要与损伤容限设计结合起来使用。对于具有初始缺陷或裂纹的零部件，应当使用损伤容限设计。为了考虑应力与强度分散性的影响，提高零构件的可靠度，以上几种抗疲劳设计方法与可靠性设计技术结合，进行疲劳可靠性设计。
参考文献：
[1] 王德俊，崔广椿，黄雨华.用雨流计数法研究水轮机的疲劳载荷[J].东北大学学报（自然科学版），2013（06）：116-118.
[2] 李宗福，孙永权.兆瓦级风力发电机组齿轮传动系统抗疲劳设计分析与优化设计[J].无线互联科技，2011（27）：79-81.
[3] 常慧颖，陈素容.基于有限元法的风力发电机组塔架优化设计分析[J].中国科技导报，2013（07）：46-47.
关键词：风力发电机；机械零部件；抗疲劳设计
一、影响风电机组结构疲劳寿命的常见原因
1、缺口效应
由于各风电机组的工作任务不尽相同，因此在结构组成上（例如在内部机械零部件的槽沟深度、切口截面以及孔径等）都会有一定的差异，我们通常称其为零部件的缺口。从功能构成方面来说，这些缺口的存在是为了满足不同风电机组的实际工作需要，对于保证机器的正常运行有积极作用。但是从机械局部应力方面看，这些缺口的存在却直接降低了整个风力发电机组的疲劳强度。当风力发电机组开始工作后，在零部件的运作下，机组内部结构的应力就会逐渐集中在某一部位，从整体上看，这些应力集中对静强度没有明显影响，但是由于零部件处于循环荷载作用下，所承受的应力小于屈服应力，因此会对疲劳强度产生较大影响，如果不能及时修正，就会加快零部件的磨损、老化。
2、机械表层应力状态的影响
随着设备使用年限的增加，一些内部机械零件的表层会出现不同程度的磨损，导致原机械表层的粗糙程度降低、摩擦力减小，还有可能出现表层组织结构的淬火现象，影响风力发电机组的工作效率。在出现这种问题后，通常会采用表面冷作变形来提高零部件的疲劳强度，其作用原理是利用表面冷作变形的外力作用，使零部件的表层发生微妙的物理性变化，提高零部件的应力状态。需要注意的是，表面冷作变形方法的处理对象仅仅局限于拉力应力所导致的疲劳损失，像零部件相互间的挤压、滚压等，通常不会对零部件造成直接性的疲劳损失，在使用冷作变形处理时，要注意掌握好处理量，如果处理時间过长，还有可能引起零部件表面损失，出现细小裂纹等问题。
二、疲劳荷载的来源
根据风力发电机组的运行时间不同，可以将机组承受的荷载分为周期性荷载和随机性荷载。其中周期性荷载的主要来源是叶轮转动方位角函数周期性变化的效应，例如常见的重力荷载、塔影及风剪切等；而随机性荷载的主要来源则是风紊流的随机性。在此基础上分析风力发电机组所受到的疲劳荷载来源，可以归纳为以下几种：
第一种是在叶轮转动过程中，重力弯矩所产生的交变荷载。在风力发电机组正常工作环境下，叶轮由于受风力和地球重力的作用产生转动，我们以转速为20r/min的风力机叶轮为例，我国大型风力发电机的设计寿命为20年，但是实际使用寿命约为15年左右，假设15年内风力发电机组一直处于理想工作状态，那么叶轮的转动次数可以达到1.5-2.0亿次左右，在每次的转动过程中，由于受地球引力的作用，叶片上的分力就会产生变化，从而引起弯矩的改变，造成叶片的交变荷载。
第二种是由于叶轮在制造时不可避免的存在质量偏心，即叶轮质心与叶轮转动中心不在一点上，所以叶轮在转动时由于质量偏心而产生交变载荷。
第三种是大型风力机的叶轮一般是多叶片的，由于存在垂直风速梯度与水平风速梯度，造成风速在叶轮扫掠面上的不均匀性分布，各个叶片上的速度矢量三角形将不相等。当叶轮在转动过程中叶轮轴不可能精确地对准风向，叶轮所受到的气动力总是无法与叶轮的中心重合，气动中心处于变动的状态下，从而给叶轮造成交变载荷。此外，由于风速在时刻变化，其湍流、阵风等都对叶轮产生激振力。
三、风力发电机组零部件抗疲劳设计的原则
1、无限寿命设计准则
无限寿命设计准则是最早的抗疲劳设计准则，它要求零部件的设计应力低于其疲劳极限，从而具有无限寿命。对于要求长期安全使用，而对自重没有严格要求的零部件，它仍然是一种合理的设计准则。
2、有限寿命设计准则
工程应用中称按有限寿命设计为安全寿命设计。有限寿命设计只保证零构件在规定的使用期限内能够安全使用，因此，它允许零构件的工作应力超过其疲劳极限，从而自重可以减轻。它是当前许多行业中机械产品的主导设计准则。如航空工业、汽车工业等对自重有较高要求的产品都广泛使用这种设计准则。有限寿命设计必须考虑安全系数，以考虑疲劳数据的分散性和其它未知因素的影响。
3、破损—安全设计
该准则的设计标准是允许风力发电机组内部零部件出现裂缝、磨损等疲劳现象，但是要求将零部件的疲劳问题控制在一定范围内，并在最短时间内通过修复、更换更多种手段，提升破损零、老化部件的抗疲劳程度，防止风力发电机组出现运行故障。
四、抗疲劳设计方法
1、名义应力法
以名义应力为基本设计参数的抗疲劳设计法称为名义应力法，是最早使用的抗疲劳设计方法，也称为常规疲劳设计或影响系数法。其设计思路是：从材料的S？N曲线出发，再考虑各种影响因数的影响，得出零构件的S？N曲线，并根据零构件的S？N曲线进行抗疲劳设计。
2、局部应力应变法
以应变集中处的局部应力、应变为基本设计参数的抗疲劳设计方法。它的设计思路是：零构件的破坏都是从应变集中部位的最大应变集中处起始，并且在裂纹萌生以前都要产生一定的局部塑性变形，而局部塑性变形是疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件，因此，决定零构件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应变。
3、损伤容限设计
这种抗疲劳设计方法是破损—安全设计准则的体现和改进。它假定零构件内存在有初始裂纹，而应用断裂力学方法来估算其剩余寿命，并通过试验来校验，确保在使用期（或检修期）内裂纹不致扩展到引起破坏的程度，从而使有裂纹的零部件在其使用期内能够安全使用。它适用于裂纹扩展缓慢而断裂韧度高的材料。
4、疲劳可靠性设计
疲劳可靠性设计是根据零部件的工作应力与疲劳强度相联系的统计方法而进行的抗疲劳设计方法，是概率统计方法与抗疲劳设计相结合的产物，所以也称为概率疲劳设计。
每种抗疲劳设计方法都有一定的适用范围，并不能完全互相取代。从目前来看，对于高周疲劳问题，仍以名义应力法为主。对于低周疲劳，则局部应力应变法具有先天的优越性，但它只能计算裂纹形成寿命，需要与损伤容限设计结合起来使用。对于具有初始缺陷或裂纹的零部件，应当使用损伤容限设计。为了考虑应力与强度分散性的影响，提高零构件的可靠度，以上几种抗疲劳设计方法与可靠性设计技术结合，进行疲劳可靠性设计。
参考文献：
[1] 王德俊，崔广椿，黄雨华.用雨流计数法研究水轮机的疲劳载荷[J].东北大学学报（自然科学版），2013（06）：116-118.
[2] 李宗福，孙永权.兆瓦级风力发电机组齿轮传动系统抗疲劳设计分析与优化设计[J].无线互联科技，2011（27）：79-81.
[3] 常慧颖，陈素容.基于有限元法的风力发电机组塔架优化设计分析[J].中国科技导报，2013（07）：46-47.