CN104392077B - 风电锁紧盘及其传递扭矩的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电锁紧盘及其传递扭矩的确定方法，该风电锁紧盘传递扭矩的确定方法包括步骤：根据所述风电锁紧盘实际尺寸建立有限元模型，将所述风电锁紧盘的外环、内环、轴套和主轴有限元模型划分为一定数量的单元，通过有限元模拟得出所述轴套对所述主轴的接触应力；提取所述主轴的各接触单元的应力进而求得所述轴套对所述主轴的平均接触应力，进而得出所述风电锁紧盘传递的最大传递扭矩。本发明的方法所确定的传递扭矩较传统的计算公式精确度高、可靠性高。

Description

风电锁紧盘及其传递扭矩的确定方法

技术领域

本发明涉及风电设备，尤其涉及一种风电锁紧盘传递扭矩的确定方法及一种风电锁紧盘外环外圆直径尺寸优化的方法。

背景技术

风电锁紧盘是当今国际上广泛用于风机主轴与齿轮箱联结的一种无键联结装置。

如图1所示，风电锁紧盘由内环(或称内套)2、外环(或称外套)1和高强度螺栓5等主要部件组成。风电锁紧盘是由高强度螺栓预紧时产生的轴向力，使内、外环之间的锥面间相互作用，从而产生径向力，抱紧轴套(也即行星架)4和主轴3，依靠轴套4和主轴3之间的摩擦力来传递扭矩和产生一定的轴向力。

锁紧盘传递的最大扭矩计算是设计锁紧盘的主要依据，传统的最大扭矩计算方法有以下两种：

1、通过利用螺栓传递的轴向力对锁紧盘传递的扭矩进行计算，在计算过程中由于螺纹连接处和内、外环之间的摩擦系数并不确定，螺栓传递的轴向力未能准确计算得出，在计算过程中该方法并未考虑到外环实际存在着弹性变形，认为外环不会发生弹性变形，根据高强度螺栓预紧力矩传递轴向力减去消除各部件之间的配合间隙所需载荷，从而计算得出轴套对主轴的夹紧力，进而求得扭矩。该方法并未得出各部件的真实变形情况，所得结果准确性低，根据该计算方法设计出的锁紧盘可靠性不高。

2、根据计算过盈量，减去各零件配合的间隙来计算传递扭矩，由于锁紧盘各构件都是弹性体，在实际的装配过程当中过盈量的计算需要各个构件的位移协调变形关系，这种方法同样也未考虑外环的实际变形量，忽略了外环的实际变形情况，用该计算公式进行计算，外环的外径大小对所得结果无任何影响，然而实际情况并非如此，因此该方法计算出的扭矩和实际存在差异。

综上，现有的风电锁紧盘传递扭矩计算方法，均存在计算结果不准确、可靠性不高的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种风电锁紧盘传递扭矩的确定方法，以解决现有技术中的风电锁紧盘传递扭矩的计算结果不准确、可靠性不高的技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种风电锁紧盘外环的优化方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种风电锁紧盘传递扭矩的确定方法，其特征在于，该风电锁紧盘传递扭矩的确定方法包括步骤；

步骤S1：根据所述风电锁紧盘实际尺寸，建立风电锁紧盘的有限元模型，将所述风电锁紧盘的外环、内环、轴套和主轴的有限元模型划分为一定数量的单元，通过有限元模拟得出所述轴套对所述主轴的接触应力；

步骤S2：提取所述主轴的各接触单元的应力进而获得所述轴套对所述主轴的平均接触应力，进而得出所述风电锁紧盘的最大传递扭矩。

本发明的风电锁紧盘，在内环尺寸确定的情况下，依照本发明的传递扭矩确定方法可以求得在满足传递扭矩的前提下，外环外径的最小值，对外环进行了优化。

本发明的有益效果；本发明的风电锁紧盘传递扭矩的确定方法，与传统的计算方法或计算公式相比，具有很高的计算精度，得出的数据准确，结果信息量大，根据计算可以提高锁紧盘设计的可靠性。并且，在确定传递扭矩的同时，还可以得出外环的变形量，从而可以在内环尺寸和扭矩要求确定的情况下，得出满足传递扭矩的前提下的外环外径的最小尺寸，达到节约风电锁紧盘成本的目的。

附图说明

图1为现有技术的风电锁紧盘的截面图；

图2为本发明实施例的传递扭矩确定方法的风电锁紧盘1/4模型；

图3为本发明实施例的传递扭矩确定方法的划分网格后的有限元模型；

图4为本发明实例的的传递扭矩确定方法所获得的主轴接触应力分布云图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

以下具体介绍本发明实施例的风电锁紧盘传递扭矩的确定方法。

本发明实施例的风电锁紧盘的传递扭矩确定方法，是根据实际情况，利用弹性力学有限元的模拟方法，将锁紧盘的各构件的有限元模型划分成为一定数量的单元，根据锁紧盘各构件的实际变形情况定义各个构件的位移协调变形关系，以此作为边界条件，从而计算得出轴套4对主轴3的接触应力，然后提取出主轴3各接触单元的应力进而求得轴套4对主轴3的平均接触应力，转化为锁紧盘传递的扭矩。

具体步骤如下：

根据风电锁紧盘的实际尺寸，建立分析计算的有限元模型，考虑到模型具有对称性，因此取风电锁紧盘的1/4模型作为模拟对象，如图2所示，从而节省计算时间。

在计算网格的划分上，选取六面体单元进行网格划分，如图3所示，划分的网格单元为六面体单元，六面体单元的边长设置为15mm。

实际上每一个六面体单元的形状，与风电锁紧盘的1/4模型的形状相似，只是大小不同。六面体的六个面中，四个是平面，另外两个面是圆柱面；四个平面中，与主轴3轴向平行的两个平面是正方形，而与主轴3轴向垂直的两个平面是扇形。单元的边长定义为15mm，这里的边长，是指其中的正方形的边长是15mm。

根据锁紧盘各构件的实际变形情况定义各个构件的位移协调变形关系，也即确定边界条件，定义内环2——外环1，轴套4——内环2，主轴3——轴套4的接触关系，即两者之间不会发生穿透，选取足够高的接触刚度，从而保证接触计算的收敛。在边界条件的选择上，可利用柱面坐标系，定义外环1的外圆柱面径向存在自由度，轴向和切向则施加固定约束。

另外，主轴3上圆柱面(或称圆孔曲面)也施加与上述外环1的相同的边界条件。以内环2、外环1装配完成之后的距离为计算初始状态，通过计算得出在该状态之下各构件的应力分布状况。

计算导出主轴3外圆柱面上的接触应力分布云图，如图4所示，提取出主轴3的各接触单元(主轴3的与轴套4接触的单元)的接触应力，部分单元的接触应力如表1所示，根据各单元接触应力，求出主轴平均接触应力，进而根据扭矩的计算公式得出传递扭矩。

表1

接触单元编号	应力(MPa)
		3582	274.81
3583	275.38
		3584	273.64
3585	269.39
		3586	263.22
3587	258.84
		3600	277.74
3601	275.66
		3602	272.93
3603	268.67
		3604	260.65
3605	246.22
		3606	223.01
3607	191.53
		3608	155.82
3609	119.42

具体的，由于划分网格的单元大小一致，因此提取出各单元接触应力，主轴3上整体应力分布可根据以下的公式计算：

F_总＝σ₁S₁+σ₂S₂+...+σ_nS_n

S₁+S₂+...+S_n＝S_总

由于划分网格的大小一致，因此各单元的网格曲面面积相等。也即：

S₁＝S₂＝...＝S_n

因此，主轴3接触面上的总的应力则能表示成：

F_总＝σ₁S₁+σ₂S₂+...+σ_nS_n＝S_总(σ₁+σ₂+...+σ_n)/n

因此，提取出各个主轴接触单元接触应力，求出平均接触应力，乘以主轴3的接触面积，即可求出主轴接触力分布；根据主轴接触力分布，进而求得锁紧盘传递的最大扭矩。

本发明实施例的方法，不仅可以得出锁紧盘传递的最大扭矩，同时还能够得出外环1的变形量，以及内环2、外环1接触区域真实的应力分布状况。

根据外环1的变形量及应力分布情况，在内环2的外径尺寸确定的情况下，外环1的内径尺寸也即确定。在计算过程中，可以发现随着外环外径尺寸的增加传递的扭矩在逐渐增大，扭矩的增长率在减小，当扭矩达到某一数值之后，随着外环外径的增加，扭矩基本上不变。因此可以根据该计算方法对风电锁紧盘外环进行优化设计。依照上述确定方法所得的外环1的变形量和风电锁紧盘的传递扭矩要求，找出其应力变化的导数为零的点，也即满足相应扭矩要求的最小外环尺寸的点，在该点处，即使加大外环1的尺寸，其传递扭矩基本不变，也即可获得满足所述传递扭矩要求的最小外环尺寸。以此制造风电锁紧盘的外环，可以达到节约成本的目的。这里的外环1的尺寸，是指外环1的外径尺寸。

本发明实施例的传递扭矩确定方法，从各零件实际变形情况出发，结合有限元分析技术，能够准确计算出轴套4对主轴3的接触应力分布，然后求出各接触单元的平均接触应力，进而转化为传递扭矩，大大提高了设计计算的可靠性。其本发明实施例的确定方法得出的传递扭矩和外环涨量和实验所测数据相一致。

本发明的技术方案已由优选实施例揭示如上。本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种风电锁紧盘传递扭矩的确定方法，其特征在于，该风电锁紧盘传递扭矩的确定方法包括步骤；

步骤S1：根据所述风电锁紧盘实际尺寸，建立风电锁紧盘的有限元模型，取所述风电锁紧盘的1/4模型作为模拟对象，将所述风电锁紧盘的外环、内环、轴套和主轴的有限元模型划分为一定数量的单元，通过有限元模拟得出所述轴套对所述主轴的接触应力；

步骤S2：提取所述主轴的各接触单元的应力进而获得所述轴套对所述主轴的平均接触应力，进而得出所述风电锁紧盘的最大传递扭矩；

在所述步骤S1中，根据所述风电锁紧盘各构件的实际变形情况定义各个构件的位移协调变形关系作为边界条件来进行有限元模拟；

步骤S1中，所述单元为边长是15mm的六面体，所述单元的形状与所述风电锁紧盘的1/4模型的形状相似，其中六面体的六个面中，四个面是平面，另外两个面是圆柱面；四个平面中，与所述主轴轴向平行的两个平面是正方形，而与所述主轴轴向垂直的两个平面是扇形。

2.如权利要求1所述的风电锁紧盘传递扭矩的确定方法，其特征在于，在所述边界条件中，采用柱面坐标系，约束所述主轴的轴向和切向自由度，径向自由。

3.如权利要求2所述的风电锁紧盘传递扭矩的确定方法，其特征在于，在所述外环的外圆圆柱面和内环的圆孔曲面上施加同样的边界条件。

4.如权利要求1所述的风电锁紧盘传递扭矩的确定方法，其特征在于，所述方法还包括步骤S3：得到所述外环的变形量。

5.如权利要求1所述的风电锁紧盘传递扭矩的确定方法，其特征在于，所述步骤S3还包括，在所述内环尺寸确定的情况下，依照所述风电锁紧盘的传递扭矩要求，获得满足所述传递扭矩要求的最小外环外径尺寸。

6.一种风电锁紧盘，其特征在于，所述风电锁紧盘的外环为按照所述权利要求5的方法所确定的外环最小外径尺寸。