CN109684757A - 风电齿轮箱收缩盘计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电齿轮箱收缩盘计算方法，其特征在于：以内环、外环、行星架、主轴为厚壁圆筒，在圆柱坐标系中，由厚壁圆筒理论的弹性分析，应用拉梅(Lame)公式中的位移分量公式求得收缩盘的内环、外环、行星架、主轴的内侧和外侧位移与两侧压力的关系；并得出收缩盘是按照满行程压紧还是按照满预紧力压紧；求得收缩盘的内环、外环、行星架、主轴的内侧和外侧的应力分量；再根据米泽斯屈服条件，可求得最终收缩盘的内环、外环、行星架、主轴的等效应力。本发明解决收缩盘计算问题，为新齿轮箱设计提供依据，给设计及维修风电齿轮箱收缩盘提供较为准确的强度分析及扭矩传递参数。

Description

风电齿轮箱收缩盘计算方法

技术领域

本发明涉及一种风电齿轮箱收缩盘的计算方法。

背景技术

风电齿轮箱输入工况复杂，输入扭矩较大，输入主轴和行星架之间联接需要传递较大的转矩、承受较大的且具有冲击性的载荷，收缩盘联接是唯一可行的联接方式。风电齿轮箱收缩盘联接作为单机大容量风电机组机械动力传输系统中的重要部件，已成为制约风电技术发展瓶颈的关键技术之一，其强度及联接性能的计算具有重要的社会效益及经济效益。

现有技术是根据收缩盘实际尺寸三维建模，导入有限元软件中，并在有限元软件中设置接触形式为过盈联接进行仿真，实现收缩盘强度的计算。

但是有限元计算存在如下缺点：

1、收缩盘三维建模及有限元中前处理工作量较大。

2、收缩盘联接是从间隙配合到过盈配合的过程，有限元中模拟该过程很难实现收敛，且计算结果与实际使用结果不符。

也即，风电齿轮箱收缩盘联接过程是从间隙配合到过盈配合的过程，现有计算软件中，要么只能仿真该联接过程的运动，收缩盘应力不能准确计算，要么只能仿真过盈配合过程的应力，与收缩盘联接过程不符。收缩盘联接中包括圆柱过盈联接和圆锥过盈联接两种，对于圆锥过盈联接还没有系统的理论的研究方法，可参考的文献有限。

所以，现阶段风电齿轮箱收缩盘无准确计算方法，无法进行相关计算，而收缩盘作为齿轮箱非常重要的联接部件，对于新齿轮箱设计和齿轮箱售后维护有重要的影响。

发明内容

本发明提供一种风电齿轮箱收缩盘计算方法，其目的是解决现有技术的缺点，解决收缩盘计算问题，为新齿轮箱设计提供依据，给设计及维修风电齿轮箱收缩盘提供较为准确的强度分析及扭矩传递参数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种风电齿轮箱收缩盘计算方法，其特征在于：

第一：对收缩盘的内环可向里推进的行程A及所有螺栓加在内环上的预紧力F进行分析，螺栓的预紧力F与收缩盘的内环的行程A之间的关系式为：

F＝P₀πd_x(L+A)sin α+P₀πd_x(L+A)f (1)

式中：F为所有螺栓总的预紧力；P₀为外环与内环结合面处的压力；d_x为内环和外环结合面处直径的平均值；L为内环和外环初始结合面长度；A为内环向里推进行程；α为内环锥度；f为摩擦系数；

第二：对收缩盘的内环和外环进行分析，收缩盘的内环和外环是无扭矩的圆锥联接；其关系式为：

δ₀＝A tan α (2)

δ₀＝u_0a-u_oi (3)

式中：δ₀为内环压入行程A时产生的过盈量；A为内环向里推进行程；α为内环锥度；u_0a为外环的内表面产生径向位移；u_0i为内环外侧产生径向位移；

第三：分析主轴和行星架的受力及变形，收缩盘的内环和行星架的外圆是无扭矩的圆柱联接；内环内侧和行星架外侧结合面产生压力P₁；关系式为：

式中：δ₁为收缩盘的内环无行程推入时，收缩盘的内环和行星架的外圆间隙；u_1a为收缩盘的内环向里推进，内环内侧产生位移；u_1i为收缩盘的内环向里推进，行星架外侧产生位移u_1i；

第四：分析主轴的受力及变形，主轴与行星架联接有扭矩作用，通过结合面压力和摩擦，使主轴可以传递扭矩；行星架外侧和主轴内侧结合面产生压力P₂；关系式为：

式中：δ₂为收缩盘的内环无行程推入时，主轴和行星架的间隙；u_2a为收缩盘的内环向里推进，行星架内侧产生径向位移；u_2i为收缩盘的内环向里推进，主轴外侧产生径向位移；

第五：将上述各位移，以内环、外环、行星架、主轴为厚壁圆筒，在圆柱坐标系中，由厚壁圆筒理论的弹性分析，应用拉梅(Lame)公式中的位移分量公式：

式中：u为位移；r为半径；E为弹性常数；为泊松比；p₁为圆筒内侧压力；p₂为圆筒外侧压力；a为圆筒内半径，b为圆筒外半径；

求得收缩盘的内环、外环、行星架、主轴的内侧和外侧位移与两侧压力的关系；并结合上述第二、第三、第四中位移与初始间隙的协调关系，以及内环的行程A与螺栓的预紧力F之间的关系，可得出，外环内侧压力及内环外侧压力P₀、内环内侧压力及行星架外侧压力P₁、行星架内侧压力及主轴外侧压力P₂，并得出收缩盘是按照满行程压紧还是按照满预紧力压紧；

第六：根据上述第五求得的压力，在圆柱坐标系中，应用拉梅(Lame)公式中的应力分量公式：

式中，σ_r为径向应力，σ_θ为切向应力，τ_θr为切应力；r为半径；p₁为圆筒内侧压力；p₂为圆筒外侧压力；a为圆筒内半径，b为圆筒外半径；

可以求得收缩盘的内环、外环、行星架、主轴的内侧和外侧的应力分量；

第七：再根据米泽斯屈服条件，可求得最终收缩盘的内环、外环、行星架、主轴的等效应力，其中，米泽斯屈服条件形式为：

式中，σ_eq为等效应力；

第八：主轴与行星架之间可传递扭矩通过结合面压力和摩擦系数确定：

式中，T为传递扭矩，f₂为行星架与主轴结合面处摩擦力；d₃为主轴与行星架结合面处直径值；L为内环和外环初始结合面长度；A为内环向里推进行程；P₂为行星架内侧压力及主轴外侧压力。

本发明的有益之处在于：

本发明通过弹塑性理论中的厚壁圆筒理论在收缩盘计算中的合理应用，解决了以往收缩盘计算中无准确计算方法，实际设计及应用中无法计算的难题，并通过软件编制将上述复杂的计算分析过程简单化，给设计及维修风电齿轮箱收缩盘提供准确的强度分析及扭矩传递参数。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为厚壁圆筒理论示意图；

图2为收缩盘连接几何关系图；

图3为收缩盘外环受力示意图；

图4为收缩盘内环受力示意图；

图5为行星架受力示意图；

图6为主轴受力示意图；

图7为本发明计算软件界面图；

图8为本发明软件输出计算报告界面；

图9为实施例风电收缩盘参数信息界面。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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实施例。

如图2所示的收缩盘联接主要是通过收缩盘6上的螺栓5施加拧紧力矩使收缩盘6产生一定径向抱紧力，该径向抱紧力作用在行星架2的输入端外圆上，产生弹性变形，使行星架2的外圆与收缩盘6的内环3产生径向位移，并在行星架2和主轴1的结合面产生径向位移，使收缩盘6的内环3与外环4、内环3与行星架2、行星架2与主轴1发生过盈配合，产生一定的结合压力，从而能传递更大的扭矩，但同时产生应力及变形，为求解风电齿轮箱运行过程中，收缩盘6可传递的扭矩及联接件是否会产生失效，采用如下技术方案进行计算验证。

为方便验证说明，对图2中参数做如下说明：

d₂为收缩盘外径值；

d_d为内环与外环结合面最小直径值；

d_s为内环与外环结合面最小直径值；

d₀为行星架与内环结合面处直径值；

d₃为主轴与行星架结合面处直径值；

d₄为主轴内径值；

L为内环和外环初始结合面长度；

A为收缩盘满推进行程。

第一：对收缩盘6的内环3可向里推进的行程A及螺栓5加在内环3上的预紧力F进行分析，收缩盘6的内环3向里推进行程A，由于内环锥度α的存在，内环3与外环4接触面上产生的过盈量δ₀＝A tan α，所有螺栓5总的预紧力F，螺栓5的预紧力F与收缩盘6的内环3的行程A之间的关系式为：

F＝P₀πd_x(L+A)sin α+P₀πd_x(L+A)f (1)

式中，P₀为外环4与内环3结合面处的压力，f为摩擦系数，d_x为内环和外环结合面处直径的平均值。

第二：对收缩盘6的内环3和外环4进行分析，收缩盘6的内环3和外环4是无扭矩的圆锥联接。当收缩盘6的内环3受到螺栓5的轴向预紧力F向里推进行程A时，外环4的内表面产生径向位移u_0a，同时，外环4与内环3结合面产生压力P₀，外环4向下抱紧，内环3外侧产生径向位移u_0i，外环4内侧的径向位移u_0a与内环3外侧的径向位移u_0i的代数和等于内环3压入行程A时产生的过盈量δ₀，其关系式为：

δ₀＝A tan α (2)

δ₀＝u_0a-u_oi(3)

第三：分析主轴1和行星架2的受力及变形，收缩盘6的内环3和行星架2的外圆是无扭矩的圆柱联接，收缩盘6的内环3无行程推入时，收缩盘6的内环3和行星架2的外圆间隙为δ₁，收缩盘6的内环3向里推进，内环3径向移动向下抱紧，内环3内侧产生位移u_1a，行星架2外侧产生位移u_1i，两者的代数和等于初始间隙的一半δ₁/2。由于弹性变形的存在，内环3内侧和行星架2外侧结合面产生压力P₁，上述位移过盈量之间关系式为：

第四：分析主轴1的受力及变形，主轴1与行星架2联接有扭矩作用，通过结合面压力和摩擦，使主轴1可以传递最大的扭矩。收缩盘6的内环3无行程推入时，主轴1和行星架2的间隙为δ₂，收缩盘6的内环3向里推进，行星架2径向移动向下抱紧，行星架2内侧产生径向位移u_2a，主轴1外侧产生径向位移u_2i，两者的代数和等于初始间隙的一半δ₂/2。由于弹性变形的存在，行星架2外侧和主轴1内侧结合面产生压力P₂，上述位移与过盈量之间关系式为：

第五：上述描述中的位移分量，以内环3、外环4、行星架2、主轴1为厚壁圆筒，由厚壁圆筒理论的弹性分析，在图1的圆柱坐标系(θ，r)中，应用拉梅(Lame)公式中的位移分量公式：

式中，E为弹性常数，为泊松比。p₁、p₂为圆筒内外侧压力，a为内半径，b为外半径。

根据上述公式，可求得收缩盘6的内环3、外环4、行星架2、主轴1内外侧位移与两侧压力的关系，相对应参数如图3、图4、图5、图6。并结合位移与初始间隙的协调关系，以及内环3的行程A与螺栓5的预紧力F之间的关系，可得出，各内外侧的压力P₀、P₁、P₂，并得出收缩盘6是按照满行程压紧还是满预紧力压紧。

第六：根据上述求得的压力，在图2圆柱坐标系(θ，r)中，应用拉梅(Lame)公式中的应力分量公式：

式中，σ_r为径向应力，σ_θ为切向应力，τ_θr为切应力,M为厚壁圆筒受到的扭转力矩。

可以求得收缩盘6的内环3、外环4、行星架2、主轴1内外侧的应力分量.

第七：再根据米泽斯屈服条件，可求得最终收缩盘6联接的内环3、外环4、行星架2、主轴1的等效应力，其中，米泽斯屈服条件形式为：

式中，σ_eq为等效应力。

第八：主轴1与行星架2之间可传递扭矩通过结合面压力和摩擦系数确定：

式中，T为传递扭矩，f₂为行星架与主轴结合面处摩擦力,d₃为主轴与行星架结合面处直径值；L为内环和外环初始结合面长度；A为内环向里推进行程；P₂为行星架内侧压力及主轴外侧压力。

软件实现：

上述计算方法所得结果与实际风电齿轮箱收缩盘使用情况相一致，通常风电齿轮箱设计及返厂维修的数量巨大，如每个齿轮箱收缩盘都进行上述计算，会花费大量的时间，效率较低，因此，应用C语言或MATLAB环境下的C语言(包含但不限于此两种语言)将上述技术方案编制成软件如图5，通过软件计算可生成结果并输出计算报告如图6。

实施例1：

应用收缩盘计算软件计算时，只需输入基本参数(图9)可以准确地计算收缩盘内环、外环、行星架、主轴的等效应力及可传递的扭矩，根据上述参数在软件中计算结果(图8)以及结果界面(图7)，收缩盘按满行程推进，计算结果显示，该风电齿轮箱应力满足强度要求，但传递扭矩安全系数较低，存在打滑的风险，结果与实际中相符，可通过增加收缩盘行程改善该收缩盘使用情况。

上述计算说明，弹塑性理论中的厚壁圆筒理论在收缩盘计算中的合理应用，解决了以往收缩盘计算中无准确计算方法，实际设计及应用中无法计算的难题，并通过软件编制将上述复杂的计算分析过程简单化，给设计及维修风电齿轮箱收缩盘提供准确的强度分析及扭矩传递参数。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种风电齿轮箱收缩盘计算方法，其特征在于：

第一：对收缩盘的内环可向里推进的行程A及所有螺栓加在内环上的预紧力F进行分析，螺栓的预紧力F与收缩盘的内环的行程A之间的关系式为：

P₀πd_x(L+A)sinα+P₀πd_x(L+A)f (1)

式中：F为所有螺栓总的预紧力；P₀为外环与内环结合面处的压力；d_x为内环和外环结合面处直径的平均值；L为内环和外环初始结合面长度；A为内环向里推进行程；α为内环锥度；f为摩擦系数；

第二：对收缩盘的内环和外环进行分析，收缩盘的内环和外环是无扭矩的圆锥联接；其关系式为：

δ₀＝Atanα (2)

δ₀＝u_0a-u_oi (3)

式中：δ₀为内环压入行程A时产生的过盈量；A为内环向里推进行程；α为内环锥度；u_0a为外环的内表面产生径向位移；u_0i为内环外侧产生径向位移；

第三：分析主轴和行星架的受力及变形，收缩盘的内环和行星架的外圆是无扭矩的圆柱联接；内环内侧和行星架外侧结合面产生压力P₁；关系式为：

式中：δ₁为收缩盘的内环无行程推入时，收缩盘的内环和行星架的外圆间隙；u_1a为收缩盘的内环向里推进，内环内侧产生位移；u_1i为收缩盘的内环向里推进，行星架外侧产生位移u_1i；

第四：分析主轴的受力及变形，主轴与行星架联接有扭矩作用，通过结合面压力和摩擦，使主轴可以传递扭矩；行星架外侧和主轴内侧结合面产生压力P₂；关系式为：

式中：δ₂为收缩盘的内环无行程推入时，主轴和行星架的间隙；u_2a为收缩盘的内环向里推进，行星架内侧产生径向位移；u_2i为收缩盘的内环向里推进，主轴外侧产生径向位移；

第五：将上述各位移，以内环、外环、行星架、主轴为厚壁圆筒，在圆柱坐标系中，由厚壁圆筒理论的弹性分析，应用拉梅(Lame)公式中的位移分量公式：

式中：u为位移；r为半径；E为弹性常数；为泊松比；p₁为圆筒内侧压力；p₂为圆筒外侧压力；a为圆筒内半径，b为圆筒外半径；

求得收缩盘的内环、外环、行星架、主轴的内侧和外侧位移与两侧压力的关系；并结合上述第二、第三、第四中位移与初始间隙的协调关系，以及内环的行程A与螺栓的预紧力F之间的关系，得出外环内侧压力及内环外侧压力P₀、内环内侧压力及行星架外侧压力P₁、行星架内侧压力及主轴外侧压力P₂，并得出收缩盘是按照满行程压紧还是按照满预紧力压紧；

第六：根据上述第五求得的压力，在圆柱坐标系中，应用拉梅(Lame)公式中的应力分量公式：

式中，σ_r为径向应力，σ_θ为切向应力，τθ_r为切应力；r为半径；p₁为圆筒内侧压力；p₂为圆筒外侧压力；a为圆筒内半径，b为圆筒外半径，M为厚壁圆筒受到的扭转力矩。

求得收缩盘的内环、外环、行星架、主轴的内侧和外侧的应力分量；

第七：再根据米泽斯屈服条件，求得最终收缩盘的内环、外环、行星架、主轴的等效应力，其中，米泽斯屈服条件形式为：

式中，σ_eq为等效应力；

第八：主轴与行星架之间可传递扭矩通过结合面压力和摩擦系数确定：

式中，T为传递扭矩，f₂为行星架与主轴结合面处摩擦力；d₃为主轴与行星架结合面处直径值；L为内环和外环初始结合面长度；A为内环向里推进行程；P₂为行星架内侧压力及主轴外侧压力。