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風機偏航軸承連接螺栓極限強度和疲勞強度的計算方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510385547.2

申請日:

2015.07.02

公開號:

CN105022868A

公開日:

2015.11.04

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20150702|||公開
IPC分類號: G06F17/50 主分類號: G06F17/50
申請人: 許繼集團有限公司; 許昌許繼風電科技有限公司; 國家電網公司
發明人: 齊濤; 董姝言; 蘇鳳宇; 晁冠良; 何海建; 程林志; 史航
地址: 461000河南省許昌市許繼大道1298號
優先權:
專利代理機構: 鄭州睿信知識產權代理有限公司41119 代理人: 胡泳棋
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510385547.2

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2019.03.05|||2015.12.02|||2015.11.04

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及風機偏航軸承連接螺栓極限強度和疲勞強度的計算方法,利用有限元軟件,對螺栓涉及的載荷傳遞路徑上的設備的三維幾何模型分別進行網格劃分和裝配,建立有限元模型,以實現載荷傳遞路徑完整且與實際相符,上述載荷傳遞路徑上的設備至少包括:齒輪箱箱體、主機架、塔筒、偏航軸承、偏航軸承連接螺栓。對模型施加不同工況的極限載荷,將模型提交給有限元分析軟件進行求解,得到風機偏航軸承連接螺栓的極限強度和疲勞強度。該方法實現了完整的載荷傳遞路徑,增強了螺栓安全系數的準確性,提高了風電機組運行的可靠性。

權利要求書

權利要求書
1.  一種風機偏航軸承連接螺栓極限強度的計算方法,其特征在于,包括如下步驟:
步驟(一)、利用有限元軟件,對螺栓涉及其載荷傳遞路徑上的設備的三維幾何模型分別進行網格劃分和裝配,建立有限元模型,以實現載荷傳遞路徑完整且與實際相符,上述載荷傳遞路徑上的設備至少包括:齒輪箱箱體(1)、主機架(2)、塔筒(8)、偏航軸承、偏航軸承連接螺栓(12)(13);
步驟(二)、對模型施加不同工況的極限載荷,將模型提交給有限元分析軟件進行求解,計算螺栓在不同極限載荷工況下各角度的拉應力,根據扭矩產生的剪切應力提取螺栓最大等效應力,結合螺栓的屈服強度計算螺栓的極限強度。

2.  根據權利要求1所述的一種風機偏航軸承連接螺栓極限強度的計算方法,其特征在于,步驟(一)所述的偏航軸承通過Link10單元來模擬,實現偏航力矩的傳遞,關鍵字設置Link10單元受壓不受拉,并對螺栓添加預緊單元。

3.  根據權利要求1或2所述的一種風機偏航軸承連接螺栓極限強度的計算方法,其特征在于,步驟(一)中所述載荷傳遞路徑上的設備還包括:剎車盤(5)、剎車片(6)、塔頂法蘭(7)、齒輪箱主軸承(9)(10)、載荷傘(11)、偏航齒輪箱(15)、彈性支承。

4.  根據權利要求3所述的一種風機偏航軸承連接螺栓極限強度的計算方法,其特征在于,步驟(一)所述的偏航軸承連接螺栓利用梁單元來模擬,梁單元的一端與墊片通過載荷傘連接來模擬墊片的壓緊作用,另一端與主機架或塔頂法蘭通過載荷傘連接來模擬螺紋作用。

5.  根據權利要求3所述的一種風機偏航軸承連接螺栓極限強度的計算方法,其特征在于,步驟(一)所述,其中偏航軸承與主機架和塔頂法蘭之間按摩擦 接觸處理,其余部件按綁定處理,邊界約束條件設置為塔底全約束。

6.  一種風機偏航軸承連接螺栓疲勞強度的計算方法,其特征在于,包括如下步驟:
步驟(一)、利用有限元軟件,對螺栓涉及的載荷傳遞路徑上的設備的三維幾何模型分別進行網格劃分和裝配,建立有限元模型,以實現載荷傳遞路徑完整且與實際相符,上述載荷傳遞路徑上的設備至少包括:齒輪箱箱體、主機架、塔筒、偏航軸承、偏航軸承連接螺栓;
步驟(二)、對模型施加不同工況的疲勞載荷,將模型提交給有限元分析軟件進行求解,計算螺栓在不同疲勞載荷工況下各角度的拉應力,建立螺栓的載荷-應力關系曲線,結合載荷譜和材料的S-N曲線得到疲勞強度。

7.  根據權利要求6所述的一種風機偏航軸承連接螺栓疲勞強度的計算方法,其特征在于,步驟(一)所述的偏航軸承通過Link10單元來模擬,實現偏航力矩的傳遞,關鍵字設置Link10單元受壓不受拉,并對螺栓添加預緊單元。

8.  根據權利要求6或7所述的一種風機偏航軸承連接螺栓疲勞強度的計算方法,其特征在于,步驟(一);所述載荷傳遞路徑上的設備還包括:剎車盤、剎車片、塔頂法蘭、齒輪箱主軸承、載荷傘、偏航齒輪箱、彈性支承。

9.  根據權利要求8所述的一種風機偏航軸承連接螺栓疲勞強度的計算方法,其特征在于,步驟(一)所述的偏航軸承連接螺栓利用梁單元來模擬,梁單元的一端與墊片通過載荷傘連接來模擬墊片的壓緊作用,另一端與主機架或塔頂法蘭通過載荷傘連接來模擬螺紋作用。

10.  根據權利要求8所述的風機偏航軸承連接螺栓疲勞強度的計算方法,其特征在于,步驟(一)所述,其中偏航軸承與主機架和塔頂法蘭之間按摩擦接觸處理,其余部件按綁定處理,邊界約束條件設置為塔底全約束。

說明書

說明書風機偏航軸承連接螺栓極限強度和疲勞強度的計算方法
技術領域
本發明涉及風機偏航軸承與主機架和塔頂法蘭連接螺栓的計算方法,屬于涉及風電機組大型結構螺栓強度性能的分析方法。
背景技術
偏航軸承是風電機組的重要部件之一,當外部風況發生變化時,電機會通過偏航軸承帶動機艙實施偏航。因此,偏航軸承的連接螺栓是風電機組最重要的連接螺栓,它的強度性能的準確性決定了整個風電機組的安全性。
在關于偏航軸承連接螺栓的安全性能評價的現有技術中,一些常規的工程計算方法很難達到實際工程需要的精度。因此采用有限元分析法可以通過建立有限元模型,計算出精確的結構應力,并得到可靠性高的強度性能。但是,現有的有限元模型結構較為簡單,各個部件間力矩的傳遞考慮不全面,建立的載荷傳遞路徑不完整,導致模型剛度與實際剛度出現差異,出現偏航軸承螺栓的強度性能和實際不符的情況。
目前,關于對偏航軸承連接螺栓強度性能的研究,如《軸承》2010年第5期發表《偏航軸承壽命及螺栓強度校核實例》的文章中,介紹了對偏航軸承連接螺栓強度性能的計算方法,該方法也是利用有限元構造模型。建立有限元模型且利用模型對機械強度性能等參數分析是現有技術一種常用的技術手段。但是,該論文的方案模型構造簡單,只考慮到風電機艙和塔架對螺栓強度性能的影響,構造的載荷傳遞路徑不完整,計算螺栓的強度性能也不夠準確。
發明內容
本發明目的在于克服現有技術的不足,提出了一種風機偏航軸承連接螺栓極限強度的計算方法,用于解決現有技術關于風機偏航軸承連接螺栓的載荷傳遞路徑不完整,導致計算強度性能不準確的問題。同時,本發明還提供了一種 風機偏航軸承連接螺栓疲勞強度的計算方法。
一種風機偏航軸承連接螺栓極限強度的計算方法,其包括如下步驟:
步驟(一)、利用有限元軟件,對螺栓涉及的載荷傳遞路徑上的設備的三維幾何模型分別進行網格劃分和裝配,建立有限元模型,以實現載荷傳遞路徑完整且與實際相符,上述載荷傳遞路徑上的設備至少包括:齒輪箱箱體、主機架、塔筒、偏航軸承、偏航軸承連接螺栓;
步驟(二)、對模型施加不同工況的極限載荷,將模型提交給有限元分析軟件進行求解,計算螺栓在不同極限載荷工況下各角度的拉應力,根據扭矩產生的剪切應力提取螺栓最大等效應力,結合螺栓的屈服強度計算螺栓的極限強度。
進一步的,步驟(一)所述的偏航軸承通過Link10單元來模擬,實現偏航力矩的傳遞,關鍵字設置Link10單元受壓不受拉,并對螺栓添加預緊單元。
進一步的,步驟(一)所述載荷傳遞路徑上的設備還包括:剎車盤、剎車片、塔頂法蘭、齒輪箱主軸承、載荷傘、偏航齒輪箱、彈性支承。
進一步的,步驟(一)所述的偏航軸承連接螺栓利用梁單元來模擬,梁單元的一端與墊片通過載荷傘連接來模擬墊片的壓緊作用,另一端與主機架或塔頂法蘭通過載荷傘連接來模擬螺紋作用。
進一步的,步驟(一)所述,其中偏航軸承與主機架和塔頂法蘭之間按摩擦接觸處理,其余部件按綁定處理,邊界約束條件設置為塔底全約束。
本發明還提供一種風機偏航軸承連接螺栓疲勞強度的計算方法,包括如下步驟:
步驟(一)、利用有限元軟件,對螺栓涉及的載荷傳遞路徑上的設備的三維幾何模型分別進行網格劃分和裝配,建立有限元模型,以實現載荷傳遞路徑完整且與實際相符,上述載荷傳遞路徑上的設備至少包括:齒輪箱箱體、主機架、塔筒、偏航軸承、偏航軸承連接螺栓;
步驟(二)、對模型施加不同工況的疲勞載荷,將模型提交給有限元分析軟件進行求解,計算螺栓在不同疲勞載荷工況下各角度的拉應力,建立螺栓的載荷-應力關系曲線,結合載荷譜和材料的S-N曲線得到疲勞強度。
進一步的,步驟(一)所述的偏航軸承通過Link10單元來模擬,實現偏航力矩的傳遞,通過關鍵字設置Link10單元受壓不受拉,并對螺栓添加預緊單元。
進一步的,步驟(一)所述載荷傳遞路徑上的設備還包括:剎車盤、剎車片、塔頂法蘭、齒輪箱主軸承、載荷傘、偏航齒輪箱、彈性支承。
進一步的,步驟(一)所述的偏航軸承連接螺栓利用梁單元來模擬,梁單元的一端與墊片通過載荷傘連接來模擬墊片的壓緊作用,另一端與主機架或塔頂法蘭通過載荷傘連接來模擬螺紋作用。
進一步的,步驟(一)所述,其中偏航軸承與主機架和塔頂法蘭之間按摩擦接觸處理,其余部件按綁定處理,邊界約束條件設計為塔底全約束。
本發明與現有技術相比的有益效果是:
以往建立的偏航軸承連接螺栓模型的結構簡單,對于影響偏航軸承螺栓的強度性能因素考慮不全面,僅考慮將塔頂載荷施加到主機架上,這樣做不僅容易引起應力集中,也不符合載荷的傳遞路徑。本發明增加了偏航軸承和齒輪箱的模擬方法,將傳遞載荷通過主軸承傳遞給齒輪箱,齒輪箱通過彈性支撐傳遞給主機架,主機架通過螺栓傳遞給偏航軸承內圈,偏航軸承內圈傳遞給外圈,在傳遞給塔筒,構成了一個完整的載荷傳遞路徑,使得計算強度性能準確。
對以往偏航力矩的傳遞主要是通過主機架和偏航軸承內圈的綁定來實現,或者對此影響因素不給予考慮,計算偏航軸承連接螺栓強度性能的精度不高。本發明增加了偏航力矩的模擬方法,通過偏航齒輪箱和偏航軸承外圈之間建立受壓不收拉的Link10單元,從而增強了偏航軸承連接螺栓的準確性,提高風電機組運行的安全性。
本方法對螺栓選擇了模擬梁單元,梁單元的一端與墊片通過載荷傘連接來 模擬墊片的壓緊作用,另一端與主機架或塔頂法蘭通過載荷傘連接來模擬螺紋作用。這樣和實際的偏航軸承螺栓的情況更加相符。
附圖說明
圖1是本發明實施例所述偏航軸承與主機架和塔頂法蘭連接螺栓的計算方法的計算模型示意圖;
圖2是本發明實施例所述偏航軸承與主機架和塔頂法蘭連接螺栓的計算方法的偏航軸承與螺栓部分計算模型示意圖;
圖3是本發明實施例所述偏航軸承與主機架和塔頂法蘭連接螺栓的計算方法的偏航齒輪箱部分計算模型示意圖;
圖中:1.齒輪箱箱體,2.主機架,3.偏航軸承內圈,4.偏航軸承外圈,5.剎車盤,6.剎車片,7.塔頂法蘭,8.塔筒,9.齒輪箱主軸軸承一,10.齒輪箱主軸軸承二,11.載荷傘,12.偏航軸承與主機架連接螺栓,13.偏航軸承與塔頂法蘭連接螺栓,14.偏航軸承滾珠,15.偏航齒輪箱,16.Link 10單元,17.Beam188單元。
具體實施方式
下面結合附圖對發明做進一步詳細的說明。
風機偏航軸承連接螺栓極限強度計算方法實施例:
1)如圖1-3所示,在制圖軟件(如CAD)上對風機的齒輪箱箱體1、主機架2、偏航軸承內圈3、偏航軸承外圈4、剎車盤5、剎車片6、塔頂法蘭7、塔筒8、齒輪箱主軸軸承一9、齒輪箱主軸軸承二10、載荷傘11、偏航軸承與主機架連接螺栓12、偏航軸承與塔頂法蘭連接螺栓13、偏航軸承滾珠14、偏航齒輪箱15、彈性之承建立幾何模型,利用有限元軟件對上述部件分別采用實體單元劃分網格,并進行裝配,建立有限元模型,該模型的載荷傳遞路徑完整且與實際相符。
其中,齒輪箱體和主機架采用QT350,偏航軸承內圈和外圈、塔頂法蘭、 塔筒和齒輪箱主軸軸承采用剛,彈性支撐采用各項異性材料。
2)偏航軸承連接螺栓采用梁單元進行模擬,梁單元的單元實常數根據螺栓的實際截面尺寸而定,梁單元的一端通過載荷傘連接來模擬墊片的壓緊作用,另一端與主句或塔頂法蘭通過載荷傘連接來模擬螺紋的作用,并且對螺栓添加預緊單元。
3)偏航軸承的內圈和外圈通過Link10單元來模擬,根據偏航軸承的剛度計算Link10單元的截面屬性,并按照滾珠的數目設定單元數目。其中,偏航力矩通過Link10單元來傳遞,關鍵字設定Link10單元只受壓不受拉。
4)設置各個部件之間的處理關系。其中,主機架和偏航軸承內圈之間、塔頂法蘭和偏航軸承外圈之間使用摩擦接觸,其余部件之間的關系按照綁定處理。
5)在塔頂中心建立一個節點,該節點與主軸承外圈內徑上的節點、塔頂中心與主軸軸承通過載荷傘連接,在該節點上施加塔頂極限載荷和疲勞載荷。邊界約束條件設定為塔底全約束。
6)風機偏航軸承與主機架和塔頂法蘭連接螺栓的極限強度:
根據不同的極限載荷工況,利用有限元分析軟件提取各個螺栓的Sdir、Sbyt、Sbzt三個應力分量,依據力的合成原理得到其拉應力,Sbyt和Sbzt的方向不確定導致螺栓的總的應力不確定,因此每隔22.5°計算螺栓在該角度下的應力。依據扭矩產生的剪切應力求得螺栓的等效應力,將螺栓最大的等效應力和材料屈服強度得到螺栓的極限強度。
作為其他實施方式,在對螺栓涉及其載荷傳遞路徑上的設備的三維幾何模型分別進行網格劃分和裝配,建立有限元模型時,還可以僅選擇齒輪箱箱體、主機架、塔筒、偏航軸承、偏航軸承連接螺栓,這樣選擇也能夠基本實現載荷傳遞路徑完整,使得計算強度性能準確。在對螺栓、偏航軸承的內圈和外圈構建模型時,也可以選擇其他模擬單元。
風機偏航軸承連接螺栓疲勞強度計算方法實施例:
關于計算螺栓疲勞強度性能方法的1)至5)步和上述計算螺栓疲勞強度性能方法1)至5)的步驟相同,區別僅在第6)步。
6)風機偏航軸承與主機架和塔頂法蘭連接螺栓的疲勞強度:
根據My或Mx的載荷工況,利用有限元分析軟件提取各個螺栓的Sdir、Sbyt、Sbzt三個應力分量,依據力的合成原理得到其拉應力,每隔22.5°計算在該角度下的拉應力,構建該螺栓在該工況該角度下的載荷-應力關系曲線,結合材料S-N曲線和材料安全系數,即可得到螺栓在該工況該角度下的損傷。根據損傷理論,按照損傷等于1進行等效可以得到螺栓的強度性能,計算螺栓在所有角度下的強度性能,最小強度性能即為螺栓的疲勞強度。
作為其他實施方式,在對螺栓涉及其載荷傳遞路徑上的設備的三維幾何模型分別進行網格劃分和裝配,建立有限元模型時,還可以僅選擇齒輪箱箱體、主機架、塔筒、偏航軸承、偏航軸承連接螺栓,這樣選擇也能夠基本實現載荷傳遞路徑完整,使得計算強度性能準確。在對螺栓、偏航軸承的內圈和外圈構建模型時,也可以選擇其他模擬單元。

關 鍵 詞:
風機 偏航 軸承 連接 螺栓 極限 強度 疲勞強度 計算方法
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