CN105160067A - 风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓强度性能的校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓强度性能的校核方法。利用三维制图软件，对风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓涉及其载荷传递路径上的设备的三维几何模型分别进行网格划分和装配，通过有限元软件建立有限元模型，以实现载荷传递路径完整且与实际相符。上述载荷传递路径上的设备至少包括：轮毂、叶片叶根部分、叶片法兰，变桨轴承内圈、变桨轴承外圈、变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓。该方法实现了完整的载荷传递路径，能够准确计算风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓极限强度和疲劳强度，提高了风电机组运行的可靠性。

Description

风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓强度性能的校核方法

技术领域

本发明涉及风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓极限强度和疲劳强度的校核方法，属于涉及风电机组大型结构螺栓强度性能的校核方法。

背景技术

目前MW级风电机组多为变速变桨风机，变桨轴承是风电机组的主要部件之一。当外部风况超出额定风速是，电机通过变桨轴承实施变桨，因此，变桨轴承连接螺栓对变桨轴承的安全运行起到及其关键的作用。变桨轴承连接螺栓是风电机组最重要的连接螺栓之一，一方面是变桨轴承的螺栓将轮毂和变桨轴承外圈连接，另一方面是变桨轴承的螺栓将叶片与变桨轴承内圈连接。变桨轴承连接螺栓在风机运行中承受着复杂的载荷动态，且由于轴承的非线性影响，常规的工程算法得到螺栓强度性能的计算精度难以满足工程使用，因此常用有限元分析法，通过建立有限元模型，求解螺栓的强度性能。

但是，目前利用有限元建立的螺栓整体模型相对简单，载荷传递的路径往往不够完整，使的模型刚度与实际刚度出现差异。在关于变桨轴承连接螺栓强度性能分析的现有技术中，如中国专利申请文献公布号为CN104688811A，名称为《一种风电发电机组轮毂与变桨轴承连接螺栓计算方法》中，也是利用有限元软件通过建立模型求解变桨轴承连接螺栓的强度。但是，该专利文献中对螺栓受力情况分析的不全面，考虑载荷传递路径不够完整，进而得到的强度性能并不准确，不符合实际工作情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓极限强度的校核方法，用于解决现有技术关于风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓的载荷传递路径不完整，导致计算强度性能不准确的问题，同时本发明还提出了风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓疲劳强度的校核方法。

本发明是通过如下方案予以实现的：

风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓极限强度的校核方法，步骤如下：

步骤1，利用三维制图软件，对风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓涉及其载荷传递路径上的设备的三维几何模型分别进行网格划分和装配，代入有限元软件中建立有限元模型，以实现载荷传递路径完整且与实际相符，上述载荷传递路径上的设备至少包括：轮毂、叶片的叶根部分、叶片法兰，变桨轴承的内圈、变桨轴承的外圈、变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓；

步骤2，对模型施加不同工况的载荷，将模型提交给有限元分析软件进行求解，得到风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓的极限强度。

进一步的，步骤1所述的三维几何模型为周期对称模型，并在周期对称面上设置对称条件，叶片的叶根部分采用各向异性材料，叶片法兰、变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓、变桨轴承的内圈和变桨轴承的外圈采用刚，轮毂采用QT350，变桨轴承的内圈和外圈通过Link10单元来连接，变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓使用solid186实体单元并施加预紧力，其螺纹部分与相应部件间通过节点连接。

进一步的，步骤1所述叶片法兰与叶片的叶根部分之间、叶片法兰与变桨轴承之间以及变桨轴承和轮毂之间采用摩擦接触，其余部件之间采用绑定处理。

进一步的，步骤2所述的极限强度中，通过获取变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓的热点在最不利极限工况下的Mx，My，Fz三个力分量，获取所述三个力分量的最大拉应力，结合所述的连接螺栓材料的屈服强度求得极限强度。

风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓疲劳强度的校核方法，步骤如下：

步骤1，利用三维制图软件，对风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓涉及其载荷传递路径上的设备的三维几何模型分别进行网格划分和装配，代入有限元软件中建立有限元模型，以实现载荷传递路径完整且与实际相符，上述载荷传递路径上的设备至少包括：轮毂、叶片的叶根部分、叶片法兰，变桨轴承的内圈、变桨轴承的外圈、变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓；

步骤2，对模型施加不同工况的载荷，将模型提交给限元分析软件进行求解，得到风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓的疲劳强度。

进一步的，步骤1所述的三维几何模型为周期对称模型，并在周期对称面上设置对称条件，叶片的叶根部分采用各向异性材料，叶片法兰、变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓、变桨轴承的内圈和变桨轴承的外圈采用刚，轮毂采用QT350，变桨轴承的内圈和外圈通过Link10单元来连接，变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓使用solid186实体单元并施加预紧力，其螺纹部分与相应部件间通过节点连接

进一步的，步骤1所述叶片法兰与叶片的叶根部分之间、叶片法兰与变桨轴承之间以及变桨轴承和轮毂之间采用摩擦接触，其余部件之间采用绑定处理。

进一步的，步骤2所述的疲劳强度中，计算变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓在每个载荷水平下各个角度的拉应力，建立其载荷-应力关系曲线，结合载荷谱和材料的S-N曲线得到疲劳强度。

本发明和现有技术相比的有益效果是：

现有技术中关于变桨轴承连接螺栓构造的有限元模型比较简单，计算得到的强度性能并不准确，导致与实际的运行状况中存在较大的差异。本发明充分考虑到变桨轴承连接螺栓在运行中的受力情况，加入了叶片法兰对变桨轴承连接螺栓载荷传递的影响，形成了完整的载荷传递路径，使计算得到的连接螺栓的强度性能更加准确，提高了风机运行的可靠性。

本发明在构建有限元模型中建立了周期对称模型，一方面可以更加准确而又真实的反映变桨轴承连接螺栓的结构，另一方面也可以减少对模型计算的工作量，既节约了时间成本，也提高了变桨轴承连接螺栓承强度性能的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例的计算模型示意图；

图2是本发明实施例的变桨轴承与轮毂连接螺栓部分计算模型示意图；

图3是本发明实施例的变桨轴承与叶片连接螺栓部分计算模型示意图；

图中：1.叶片的叶根部分，2.叶片法兰，3.变桨轴承内圈，4.变桨轴承外圈，5.轮毂，6.变桨轴承与轮毂连接螺栓，7.变桨轴承与叶片连接螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。

风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓极限强度的校核方法，步骤如下：

1)如图1-3所示，在制图软件上(如CAD)上对风机的叶片的叶根部分1、叶片法兰2、变桨轴承内圈3、变桨轴承外圈4、轮毂5、变桨轴承与轮毂连接螺栓6、变桨轴承与叶片连接螺栓7建立周期几何模型，利用有限元软件对上述部分分别采用实体单元网格并进行装配，建立有限元模型，该模型的载荷传递路径完整且与实际相符。

2)对有限元模型的各个部分施加相应的属性，其中，叶片的叶根部分采用各向异性材料，叶片法兰、变桨轴承与轮毂连接螺栓和叶片连接螺栓以及变桨轴承的内圈和外圈采用刚，轮毂采用QT350。

3)变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓使用solid186实体单元并施加预紧力，其螺纹部分与相应部件间通过节点连接。

4)变桨轴承的内圈和外圈通过Link10单元来连接，通过关键字设置Link10单元受压不受拉。Link10单元的截面尺寸根据滚球的实际数量、模拟数量和滚球的实际直径而定。

5)设置各部件之间的关系，叶片法兰与叶片的叶根部分之间、叶片法兰与变桨轴承内圈之间以及变桨轴承外圈和轮毂之间采用摩擦接触，其余部件之间采用绑定处理。

6)设置边界条件，在有限元模型的周期对称面上设置周期对称条件，轮毂底部端面设置全约束。

7)极限强度：

对模型施加不同的工况载荷，利用螺栓热点在最不利极限工况下的Mx，My，Fz三个力分量，将分力My和Fz通过弯矩与力的等效关系计算得到的力施加在叶片的叶根面上。将风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓的整体模型提交给有限元软件进行求解。通过所述的三个力分量，依照螺栓的截面积和弯曲模量属相得到热点处的轴向应力和2个弯曲应力，根据力的合成原理得到其最大的拉应力，结合螺栓的材料屈服强度计算得到风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓的极限强度。

关于风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓疲劳强度的校核方法的1)至6)步和上述风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓极限强度的校核方法的1)至6)步相同，区别仅在7)步。

7)疲劳强度：

提取螺栓在My工况下各个载荷中Mx、My、Fz三个力分量，根据螺栓的截面积和弯曲模量属性得到热点处的轴向应力和2个弯曲应力，每隔22.5°计算螺栓在该角度下的总的拉应力，绘制螺栓在各工况特定角度下的载荷应力关系曲线。结合载荷谱及生成的载荷应力关系曲线，得到该螺栓在各工况特定角度下的应力谱，根据材料的S-N曲线以及材料疲劳系数即可得到螺栓在各工况特定角度下的损伤。基于累计损伤理论，按损伤等于1进行等效可以得到螺栓的疲劳系数，对所有螺栓在所有角度下进行计算即可得到风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓的疲劳强度。

作为其他实施方式，在建立风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓的模型时，可以根据实际情况不同，对模型各个部分施加其他属性的材料，对螺栓以及变桨轴承的内圈和外圈采用其他模拟单元，得到的技术方案仍然在本发明保护的范围内。

Claims (8)

1.风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓极限强度的校核方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，利用三维制图软件，对风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓涉及其载荷传递路径上的设备的三维几何模型分别进行网格划分和装配，代入有限元软件中建立有限元模型，以实现载荷传递路径完整且与实际相符，上述载荷传递路径上的设备至少包括：轮毂、叶片的叶根部分、叶片法兰、变桨轴承的内圈、变桨轴承的外圈、变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓；

步骤2，对模型施加不同工况的载荷，将模型提交给有限元分析软件进行求解，得到风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓的极限强度。

2.根据权利要求1所述的风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓极限强度的校核方法，其特征在于，步骤1所述的三维几何模型为周期对称模型，并在周期对称面上设置对称条件，叶片的叶根部分采用各向异性材料，叶片法兰、变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓、变桨轴承的内圈和变桨轴承的外圈采用刚，轮毂采用QT350，变桨轴承的内圈和外圈通过Link10单元来连接，变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓使用solid186实体单元并施加预紧力，其螺纹部分与相应部件间通过节点连接。

3.根据权利要求1所述的风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓极限强度的校核方法，其特征在于，步骤1所述叶片法兰与叶片的叶根部分之间、叶片法兰与变桨轴承之间以及变桨轴承和轮毂之间采用摩擦接触，其余部件之间采用绑定处理。

4.根据权利要求1所述的风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓极限强度的校核方法，其特征在于，步骤2所述的极限强度中，通过获取变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓的热点在最不利极限工况下的Mx，My，Fz三个力分量，获取所述三个力分量的最大拉应力，结合所述的连接螺栓材料的屈服强度求得极限强度。

5.风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓疲劳强度的校核方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，利用三维制图软件，对风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓涉及其载荷传递路径上的设备的三维几何模型分别进行网格划分和装配，代入有限元软件中建立有限元模型，以实现载荷传递路径完整且与实际相符，上述载荷传递路径上的设备至少包括：轮毂、叶片的叶根部分、叶片法兰，变桨轴承的内圈、变桨轴承的外圈、变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓；

步骤2，对模型施加不同工况的载荷，将模型提交给有限元分析软件进行求解，得到风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓的疲劳强度。

6.根据权利要求5所述的风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓疲劳强度的校核方法，其特征在于，步骤1所述的三维几何模型为周期对称模型，并在周期对称面上设置对称条件，叶片的叶根部分采用各向异性材料，叶片法兰、变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓、变桨轴承的内圈和变桨轴承的外圈采用刚，轮毂采用QT350，变桨轴承的内圈和外圈通过Link10单元来连接，变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓使用solid186实体单元并施加预紧力，其螺纹部分与相应部件间通过节点连接。

7.根据权利要求5所述的风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓疲劳强度的校核方法，其特征在于，步骤1所述叶片法兰与叶片的叶根部分之间、叶片法兰与变桨轴承之间以及变桨轴承和轮毂之间采用摩擦接触，其余部件之间采用绑定处理。

8.根据权利要求5所述的风机变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓疲劳强度的校核方法，其特征在于，步骤2所述的疲劳强度中，计算变桨轴承与轮毂和叶片连接螺栓在每个载荷水平下各个角度的拉应力，建立其载荷-应力关系曲线，结合载荷谱和材料的S-N曲线得到疲劳强度。