CN108153949B - 非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法及装置，该受力计算方法包括：检测传动带的实际预紧力；根据传动带的最大切向力、实际预紧力以及通过有限元仿真分析确定的修正系数，计算传动带的实际松边力和/或实际紧边力。通过实施本发明，对传动带载荷的计算进行修正，可以更准确地计算传动带的疲劳载荷，从而更加精确地评估风机中的带轮支撑结构，对工程实际中类似的带传动结构的强度评估具有一定的借鉴意义。

Description

非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法及装置

技术领域

本发明涉及带传动疲劳分析领域，具体涉及一种非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法及装置。

背景技术

传动带载荷的传统计算方法是基于如图1所示的带传动结构推导出的理论公式。该传统的理论公式F_zt＝F_v+F_u/2广泛应用在各种传动结构的载荷分析中。然而如图1所示出的，该传动结构基本属于轴对称结构，而实际应用中，传动带的传动结构多为非对称结构，非对称结构使得驱动轮两侧的传动带的受力并不均匀，其最大切向力F_u并不能直接用系数1/2来修正。因此，对于实际应用中的传动带传动结构，如果仍使用传统的载荷计算方法进行计算，则会形成较大的计算偏差，从而影响基于疲劳载荷对传动带的使用强度的检测精确度。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服传统的载荷计算方法的计算结果偏差较大的缺陷，从而提供一种非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法及装置。

本发明第一方面提供一种非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法，该受力计算方法主要包括：检测传动带的实际预紧力，然后，结合传动带的最大切向力以及通过有限元仿真分析确定的修正系数，计算传动带的实际松边拉力和/或实际紧边拉力。在本发明的第一方面中，所使用的计算方法通过有限元仿真，对传动带实际驱动结构进行仿真，并且基于仿真结果得到对载荷计算的修正系数，基于该修正系数，计算传动带的实际应力，更加贴合实际应用中的传动带的传动结构，计算结果更加准确，为后续的传动带强度评估等提供更加有效的数据支持。

结合本发明第一方面，本发明第一方面第一实施方式中，通过有限元仿真分析确定所述修正系数的步骤主要包括：对所述非对称结构的驱动组件的有限元模型施加预紧力以及扭矩，以提取松边和/或紧边的仿真松边力和/或仿真紧边力；根据所述仿真松边力和/或仿真紧边力确定所述修正系数。通过有限元仿真分析，确定传动带的传动结构的仿真模型中的仿真松边力和/或仿真紧边力。然后，根据传动带的最大切向力、施加的预紧力、仿真松边力和/或仿真紧边力即可确定所述修正系数，其中，该最大切向力可以根据施加的扭矩得到。通过本发明第一方面第一实施方式，结合有限元仿真分析，确定传动带载荷计算的修正系数，使得计算结果更加符合实际应用情况，从而提高传动带疲劳载荷的计算结果的准确性。

本发明第二方面提供一种非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置，该受力计算装置主要包括：实际预紧力检测模块，用于检测传动带的实际预紧力，然后，通过实际受力计算模块结合传动带的最大切向力以及通过有限元仿真分析确定的修正系数，计算传动带的实际松边拉力和/或实际紧边拉力。在本发明的第二方面中，通过有限元仿真分析，对传动带实际驱动结构进行仿真，并且基于仿真结果得到对载荷计算的修正系数，基于该修正系数，计算传动带的实际应力，更加贴合实际应用中的传动带的传动结构，计算结果更加准确，为后续的传动带强度评估等提供更加有效的数据支持。

结合本发明第二方面，本发明第二方面第一实施方式中，实际受力计算模块通过有限元仿真分析确定所述修正系数的步骤主要包括：对所述非对称结构的驱动组件的有限元模型施加预紧力以及扭矩，以提取松边和/或紧边的仿真松边力和/或仿真紧边力；根据所述仿真松边力和/或仿真紧边力确定所述修正系数。通过有限元仿真分析，确定传动带的传动结构的仿真模型中的仿真松边力和/或仿真紧边力。然后，根据传动带的最大切向力、施加的预紧力、仿真松边力和/或仿真紧边力即可确定所述修正系数，其中，该最大切向力可以根据施加的扭矩得到。通过本发明第二方面第一实施方式，结合有限元仿真分析，确定传动带载荷计算的修正系数，使得计算结果更加符合实际应用情况，从而提高传动带疲劳载荷的计算结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的载荷计算公式所针对的带传动结构的示意图；

图2为根据本发明实施例的驱动组件的一个具体示例的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法的一个具体示例的流程图；

图4为根据本发明实施例的确定修正系数的步骤的一个具体示例的流程图；

图5为根据本发明实施例的有限元模型的一个具体示例的示意图；

图6A及图6B为根据本发明实施例的传动带的载荷的计算结果的对比曲线图；

图7为根据本发明实施例的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法的另一个具体示例的流程图；

图8A为根据本发明实施例的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置的一个具体示例的结构示意图；

图8B为根据本发明实施例的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置的另一个具体示例的结构示意图；

图9为本发明实施例的计算机设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法，可选地，在本发明的一些实施例中，该方法可应用于风力发电机组的驱动组件中，如图2所示，该驱动组件主要包括：驱动轮2、张紧轮3、变桨轴承4及传动带1，驱动轮2与变桨轴承4通过传动带1传动相连，张紧轮3设置于传动带1的松边上，在实际应用中，该张紧轮的数量可不限于设置一个，根据实际情况进行调整。本领域技术人员可以理解，图2中示出的驱动组件结构并不构成对驱动组件的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图3所示，本发明实施例的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法主要包括如下步骤：

步骤S101：检测传动带的实际预紧力。

传动带上某一时刻的载荷即可分解为其松边拉力和紧边拉力。在计算传动带载荷的过程中，首先要获取传动带的实际预紧力，其作为计算传动带松边拉力和紧边拉力的重要参数之一。

步骤S102：根据传动带的最大切向力、实际预紧力及通过有限元仿真分析确定的修正系数，分别计算传动带的实际松边力和/或实际紧边力。

具体地，根据传动带的实际松边力和/或实际紧边力的计算公式，如以下公式(1)所示：

其中，

为实际松边力；

为实际紧边力；F_v为实际预紧力；k₁，k₂为修正系数；F_u为最大切向力。其中，该最大切向力可通过公式(2)及公式(3)确定：

F_u＝T_drive/r， (2)

T_drive＝T_max·i·η， (3)

其中，r为驱动轮的半径，T_max为风力发电机组的变桨电机的最大输出扭矩；i为风力发电机组的变桨减速器的传动比；η为风力发电机组的变桨减速器的传递效率。

由此可知，要计算传动带的实际松边力和/或实际紧边力，除获取实际预紧力之外，还需确定传动带的最大切向力F_u，以及针对传动带的实际传动结构的修正系数k₁，k₂，其中，k₁是针对松边力计算的修正系数；k₂是针对紧边力计算的修正系数。可选地，在本发明的一些实施例中，当松边拉力小于0时，表明松边已完全松弛，松边不能继续承载，此时传动带的松边拉力为0，此时计算紧边力的公式变为

k₃为松边拉力为0时的修正系数。

上述驱动组件的驱动轮与变桨轴承之间设置的传动带主要包括两部分：在驱动轮与变桨轴承之间的第一部分(一般可称为长边)、及在张紧轮与变桨轴承之间的第二部分(一般可称为短边)，因此，在实际应用中，根据转动方向的不同，是长边作为松边还是短边作为松边，也需分两种情况进行计算。例如：

当长边为紧边时，紧边力为

松边力为

当短边为紧边时，紧边力为

松边力为

当松边拉力小于0时，表明松边已完全松弛，松边不能继续承载，此时齿形带松边拉力为0，紧边拉力

为：

其中，k₁₁，k₂₁，k₁₂，k₂₂，k₃₃为修正系数。

可选地，在本发明一些实施例中，如图4所示，确定上述的修正系数的过程主要包括：

步骤S201：根据驱动组件的性能参数确定传动带的最大切向力及传动带在静止时刻的第一预紧力。

传动带的最大切向力也可通过上述公式(2)及公式(3)确定，上述的驱动轮的半径r、风力发电机组的变桨电机的最大输出扭矩T_max、风力发电机组的变桨减速器的传动比i、风力发电机组的变桨减速器的传递效率η即为驱动组件的性能参数，这些参数与变桨电机的型号相关，可直接获取。而传动带静止时刻t的第一预紧力，可以是在初始时刻，直接获取厂家出厂的张紧力参数或是对于风力发电机组的设计需求所设定的初始张紧力；或者，也可以是在运行过程中，某一时刻t，使传动带处于静止状态下，所检测得到的预紧力。

步骤S202：通过有限元仿真分析获取传动带在静止时刻的仿真松边力及仿真紧边力。

在本发明实施例中，是通过有限元仿真分析获取传动带在静止时刻的仿真松边力及仿真紧边力。对于传动带的传动结构，可构建如图5所示的有限元模型，在该有限元模型中的传动带的两端(A点及B点)施加固定位移约束，设定模型在这两个位置的位移为0；在张紧轮的中心(即其重心位置)建立位移约束点，约束该点的轴向、径向自由度；在驱动轮的中心建立位移约束点，约束该点的轴向、径向自由度，从而在该模型的应用环境下，认为张紧轮及驱动轮仅发生转动。

基于上述有限元模型，施加传动带的第一预紧力，并施加驱动轮的扭矩，驱动轮扭矩可通过公式(3)进行计算。提取此时(即静止时刻t)传动带上的内力，即为通过有限元仿真分析获取的传动带在静止时刻的仿真松边力及仿真紧边力。

步骤S203：根据最大切向力、第一预紧力、仿真松边力及仿真紧边力确定修正系数。

具体地，根据传动带的实际松边力和/或实际紧边力的计算公式，如以下公式(4)所示：

其中，

为仿真松边力；

为仿真紧边力；F_v1为第一预紧力；k₁，k₂，k₃为修正系数；F_u为最大切向力。

在公式(4)中，

为通过有限元仿真获取到的，F_v1为静止时刻t获取到的，F_u为通过公式(1)、(2)及公式(3)计算可得。因此，即可计算得到上述的修正系数k₁，k₂，k₃。

上述驱动组件的驱动轮与变桨轴承之间设置的传动带主要包括两部分：在驱动轮与变桨轴承之间的第一部分(一般可称为长边)、及在张紧轮与变桨轴承之间的第二部分(一般可称为短边)，因此，在实际应用中，根据转动方向的不同，是长边作为松边还是短边作为松边，也需分两种情况进行仿真。例如：

当长边为紧边时，仿真紧边力为

仿真松边力为

当短边为紧边时，仿真紧边力为

仿真松边力为

当松边拉力小于0时，表明松边已完全松弛，松边不能继续承载，此时齿形带松边拉力为0，紧边拉力

为：

其中，k₁₁，k₂₁，k₁₂，k₂₂，k₃₃为修正系数。

通过步骤S201至步骤S203确定了修正系数k₁，k₂，k₃后，即可代入到上述公式(1)中，计算传动带的实际松边力和/或实际紧边力。

通过上述步骤计算得到的传动带的载荷与应用传统计算方法计算得到的载荷的对比图如图6A及图6B所示，其中，图6A为长边为紧边时，驱动载荷与齿形带载荷关系图，图6B为短边为紧边时，驱动载荷与齿形带载荷关系图，由图中可知，当长边为紧边时，通过本发明实施例的计算方法得到的传动带的载荷小于传统计算方法得到的传动带载荷；当短边为紧边时，通过本发明实施例的计算方法得到的传动带的载荷大于传统计算方法得到的传动带载荷。

可选地，在本发明的一些实施例中，如图7所示，该受力计算方法还可包括：

步骤S103：计算预定时间段内的多组实际松边力和/或实际紧边力；

步骤S104：根据所述多组的实际松边力和/或实际紧边力计算松边和/或紧边的疲劳载荷。

疲劳载荷是指一定时间段内，不断变化的载荷。传动带疲劳载荷的计算等同于N个时刻传动带载荷的集合。因此，在通过步骤S101-步骤S102计算得到传动带在多个时刻的载荷之后，即可生成多个时刻下传动带载荷的集合，即传动带的疲劳载荷。

本发明实施例的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法，通过有限元仿真结果，修正传统传动带载荷的计算公式，可以更准确地计算传动带的疲劳载荷，从而更加精确地评估风机中的带轮支撑结构，对工程实际中类似的带传动结构的强度评估具有一定的借鉴意义。

可选地，在本发明的一些实施例中，上述的传动带可以例如是齿形带、V带、多楔带等，均可通过本发明实施例的检测驱动组件中的传动带的疲劳载荷的计算方法计算其疲劳载荷，本发明并不以此为限。

本发明实施例还提供一种非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置，如图2所示，该驱动组件主要包括：驱动轮2、张紧轮3、变桨轴承4及传动带1，驱动轮2与变桨轴承4通过传动带1传动相连，张紧轮3设置于传动带1的松边上，在实际应用中，该张紧轮的数量可不限于设置一个，根据实际情况进行调整。本领域技术人员可以理解，图2中示出的驱动组件结构并不构成对驱动组件的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图8A所示，本发明实施例的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置包括：

实际预紧力检测模块701，用于检测多个时刻下传动带的实际预紧力；详细内容参考上述步骤S101。

实际受力计算模块702，用于根据传动带的最大切向力、通过有限元仿真分析确定的修正系数及实际预紧力，分别计算传动带在多个时刻下的实际松边力和/或实际紧边力；详细内容参考上述步骤S102及步骤S201-步骤S203。

可选地，本发明的一些实施例中，如图8B所示，该受力计算装置还包括：疲劳载荷生成模块703，用于计算预定时间段内的多组实际松边力和/或实际紧边力，并且，还用于根据所述多组的实际松边力和/或实际紧边力计算松边和/或紧边的疲劳载荷。详细内容参考上述步骤S103及步骤S104。

本发明实施例的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置，通过有限元仿真结果，修正传统传动带载荷的计算公式，可以更准确地计算传动带的疲劳载荷，从而更加精确地评估风机中的带轮支撑结构，对工程实际中类似的带传动结构的强度评估具有一定的借鉴意义。

本发明实施例还提供一种计算机设备，图9所示，该计算机设备包括一个或多个处理器810以及存储器820，图9中以一个处理器810为例。

该计算机设备还可以包括：输入装置830和输出装置840。

处理器810、存储器820、输入装置830和输出装置840可以通过总线或者其他方式连接，图9中以通过总线连接为例。

处理器810可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器810还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器820作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法对应的程序指令/模块(例如，附图6所示的实际预紧力检测模块701、实际受力计算模块702及疲劳载荷生成模块703)。处理器810通过运行存储在存储器820中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法。

存储器820可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置的使用所创建的数据等。此外，存储器820可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器820可选包括相对于处理器810远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置830可接收输入的数字或字符信息，以及产生与非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入(例如预设的预紧力数值等)。输出装置840可包括显示屏等显示设备，用以输出计算结果等。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器820中，当被所述一个或者多个处理器810执行时，执行如图2-图5所示的方法。

上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，具体可参见如图2-图6所示的实施例中的相关描述。

本发明实施例还提供了一种非暂态计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法，其特征在于，所述受力计算方法包括：

检测所述传动带的实际预紧力；

对所述非对称结构的驱动组件的有限元模型施加预紧力以及扭矩，以提取松边和/或紧边的仿真松边力和/或仿真紧边力；

基于所述预紧力、所述传动带的最大切向力及所述仿真松边力确定针对松边力计算的修正系数，和/或，基于所述预紧力、所述最大切向力及所述仿真紧边力确定针对紧边力计算的修正系数；

基于所述实际预紧力、最大切向力及针对松边力计算的修正系数计算所述传动带的实际松边力，和/或，基于所述实际预紧力、最大切向力及针对紧边力计算的修正系数计算所述传动带的实紧松边力。

2.根据权利要求1所述的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法，其特征在于，所述受力计算方法还包括：

计算预定时间段内的多组实际松边力和/或实际紧边力。

3.根据权利要求2所述的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法，其特征在于，所述受力计算方法还包括：

根据所述多组的实际松边力和/或实际紧边力计算松边和/或紧边的疲劳载荷。

4.根据权利要求1所述的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法，其特征在于，

基于所述扭矩计算所述最大切向力，并通过以下公式确定所述修正系数：

其中，

为所述仿真松边力；

为所述仿真紧边力；

为所述预紧力；

为所述修正系数；

为所述最大切向力。

5.一种非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置，其特征在于，所述受力计算装置包括：

实际预紧力检测模块，用于检测所述传动带的实际预紧力；

实际受力计算模块，用于对所述非对称结构的驱动组件的有限元模型施加预紧力以及扭矩，以提取松边和/或紧边的仿真松边力和/或仿真紧边力；基于所述预紧力、所述传动带的最大切向力及所述仿真松边力确定针对松边力计算的修正系数，和/或，基于所述预紧力、所述最大切向力及所述仿真紧边力确定针对紧边力计算的修正系数；基于所述实际预紧力、最大切向力及针对松边力计算的修正系数计算所述传动带的实际松边力，和/或，基于所述实际预紧力、最大切向力及针对紧边力计算的修正系数计算所述传动带的实紧松边力。

6.根据权利要求5所述的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置，其特征在于，所述受力计算装置还包括：

疲劳载荷生成模块，用于计算预定时间段内的多组实际松边力和/或实际紧边力。

7.根据权利要求6所述的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置，其特征在于，所述疲劳载荷生成模块还用于：

根据所述多组的实际松边力和/或实际紧边力计算松边和/或紧边的疲劳载荷。

8.根据权利要求5所述的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算装置，其特征在于，

基于所述扭矩计算所述最大切向力，并通过以下公式确定所述修正系数：

其中，

为所述仿真松边力；

为所述仿真紧边力；

为所述预紧力；

为所述修正系数；

为所述最大切向力。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法。

10.一种计算机设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如权利要求1-4中任一项所述的非对称结构的驱动组件中传动带的受力计算方法。

Images