CN110795875B - 一种风机轴-齿轮箱法兰连接校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风机轴‑齿轮箱法兰连接校核方法。本发明主要是解决现有校核方法存在的校核参数的范围不够全面和难以满足先进风机设计需要的技术问题。本发明采用的技术方案是：该校核方法的步骤如下：步骤1计算由齿轮箱重力产生的倾覆力矩M，步骤2，计算倾覆力矩产生的最大螺栓预紧力损耗值F_损，步骤3，计算法兰接触面产生的接触压力p_v，步骤4，计算抵消倾覆力矩后螺栓预紧力产生的最大扭矩T'，步骤5，计算扭矩抗滑移安全系数S₁，进行倾覆力矩作用下扭矩抗滑移校核，步骤6，计算重力抗滑移安全系数S₂，进行重力抗滑移校核，步骤7，利用UG三维建模软件建立法兰连接有限元模型；步骤8，计算法兰接触面强度安全系数S₃，步骤9，进行法兰连接总校核。

Description

一种风机轴-齿轮箱法兰连接校核方法

技术领域

本发明涉及一种风机轴-齿轮箱法兰连接校核方法，它属于校验风力发电机传动部件是否安全的技术领域。

背景技术

法兰连接具有可拆卸、传递扭矩大、结构可靠等优点，被广泛应用于新能源、石油化工、汽车制造等领域。法兰连接的主要部件为两个法兰盘和若干螺栓，通过螺栓的预紧力，两个法兰盘相互挤压、紧密接触，可以传递一定的扭矩。主轴与齿轮箱是风力发电机的核心运动部件，它们之间的传动连接显得尤为重要。考虑到风力发电机运行中传递扭矩大的特点和维修的便捷性，一般采用法兰连接的方式对主轴和齿轮箱进行连接。传统的法兰连接校核计算一般更加关注对法兰连接疲劳强度的校核，虽然借助有限元软件对法兰连接进行了精确的计算，校核了螺栓、法兰等的疲劳强度，但忽视了对法兰连接抗滑移性和接触面强度的校核。

随着风力发电机的大型化和对高可靠性要求的提高，传统校核方法校核参数的范围不够全面，无法满足先进风机的设计需求。在风机法兰连接的校核计算现有技术领域，如中国发明专利申请公布号为CN 109241546A，发明名称为“一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法”的发明申请专利中，虽然通过有限元软件作非线性计算，得到了法兰连接表面剪应力的关系和连接法兰的疲劳损伤值，但对于风机设计而言，仅仅对法兰连接进行疲劳强度校核并不足以满足风机设计的需要。

发明内容

本发明的目的是解决现有校核方法存在的校核参数的范围不够全面和难以满足先进风机设计需要的技术问题，提供一种风机轴-齿轮箱法兰连接校核方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种风机轴-齿轮箱法兰连接校核方法，其校核步骤如下：

步骤1，通过下述公式(1)计算由齿轮箱重力产生的倾覆力矩M，

M＝G·s                      (1)

式(1)中，G为齿轮箱重力，s为齿轮箱重心到接触面的水平距离；

步骤2，考虑法兰外圈分布螺栓，通过下述公式(2)计算倾覆力矩产生的最大螺栓预紧力损耗值F_损，

式(2)中，z₂为法兰外圈螺栓数量，r₂为外圈螺栓中心线到法兰圆心的距离；

步骤3，通过下述公式(3)计算法兰接触面产生的接触压力p_v，

式(3)中，F₀为法兰单个螺栓预紧力，z为法兰螺栓总数量，d₁为法兰内圈螺栓所在圆轨迹直径，d₂为法兰外圈螺栓所在圆轨迹直径；

步骤4，通过下述公式(4)计算抵消倾覆力矩后螺栓预紧力产生的最大扭矩T'，

式(4)中，f为法兰接触面摩擦系数，a为法兰接触面有效接触面积上边界直径，b为法兰接触面有效接触面积下边界直径，r为法兰接触面上各点到圆心的距离；

步骤5，通过下述公式(5)计算扭矩抗滑移安全系数S₁，进行倾覆力矩作用下扭矩抗滑移校核，

式(5)中，T_max为风机运行过程中所受的极限扭矩，极限扭矩值根据风机型号得到；若计算值S₁＞1，则认为在正常发电工况下，连接法兰在扭矩作用下不发生滑移；若计算值S₁≤1，则认为在正常发电工况下，连接法兰在扭矩作用下会发生滑移，不符合设计要求；

步骤6，通过下述公式(6)计算重力抗滑移安全系数S₂，进行重力抗滑移校核，

式(6)中，f为法兰接触面摩擦系数，z为法兰螺栓总数量，i为法兰接触面数量，F₀为法兰单个螺栓预紧力，K_s为防滑系数，G为齿轮箱重力；若计算值S₂＞1，则认为在停机工况下，连接法兰在重力方向上不发生滑移；若计算值S₂≤1，则认为在停机工况下，连接法兰在重力方向上会发生滑移，不符合设计要求；

步骤7，利用UG三维建模软件分别建立主轴底座、螺栓和齿轮箱等效体的三维模型，并导入Abaqus有限元仿真计算软件，进行装配，施加螺栓预紧力、齿轮箱重力和扭矩载荷、设置边界条件和相互作用条件、划分网格，建立法兰连接有限元模型；

步骤8，将有限元模型提交计算，得到法兰连接接触面压力云图，从接触压力云图可提取出最大接触压力值，将最大接触压力与法兰材料的屈服强度作比较，计算法兰接触面强度安全系数S₃，计算公式为：

式(7)中，p_max为法兰接触面最大接触压力，δ_屈服为法兰材料的屈服强度，法兰材料的屈服强度在机械设计手册中查得；若计算值S₃＞1，则认为法兰接触面强度满足设计要求；若计算值S₃≤1，则认为法兰接触面强度不满足设计要求；

步骤9，进行法兰连接总校核，若计算值S₁＞1、S₂＞1和S₃＞1，则认为法兰连接满足设计要求；若S₁、S₂和S₃任意一个计算值小于或等于1，则认为法兰连接不满足设计要求。

进一步地，所述步骤7中，设置有限元模型相关计算条件和参数时，螺栓预紧力通过螺栓载荷的形式逐一施加在每个螺栓杆上。

进一步地，所述步骤7中，对法兰连接结构有限元模型划分网格时，对螺栓孔附近网格单元作密集处理，使法兰外缘附近网格划分粗大，而螺栓孔附近网格划分精细。

本发明的有益效果是：

本发明将理论计算和有限元仿真计算有机结合，对风机轴-齿轮箱法兰连接进行了抗滑移校核和法兰接触面强度校核，提供了新型校核参数，弥补了现有技术仅仅对风机法兰连接进行疲劳强度校核的不足。将该校核方法与传统疲劳强度校核方法结合起来对风机法兰连接进行校核计算，可以极大地提高风机法兰连接的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的风机轴-齿轮箱法兰连接结构三维图；

图3为本实施例中基于Abaqus有限元分析软件的法兰连接三维模型网格划分图；

图4为本实施例中基于Abaqus有限元分析软件仿真计算得到的法兰连接主轴底座接触面的接触压力分布云图；

图5为本实施例中基于Abaqus有限元分析软件仿真计算得到的法兰连接齿轮箱法兰接触面的接触压力分布云图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

本实施例中的一种风机轴-齿轮箱法兰连接校核方法，其校核步骤如下：

步骤1，通过下述公式(1)计算由齿轮箱重力产生的倾覆力矩M，

M＝G·s                      (1)

式(1)中，G为齿轮箱重力，s为齿轮箱重心到接触面的水平距离；

步骤2，考虑法兰外圈分布螺栓，通过下述公式(2)计算倾覆力矩产生的最大螺栓预紧力损耗值F_损，

式(2)中，z₂为法兰外圈螺栓数量，r₂为外圈螺栓中心线到法兰圆心的距离；

步骤3，通过下述公式(3)计算法兰接触面产生的接触压力p_v，

式(3)中，F₀为法兰单个螺栓预紧力，z为法兰螺栓总数量，d₁为法兰内圈螺栓所在圆轨迹直径，d₂为法兰外圈螺栓所在圆轨迹直径；

步骤4，通过下述公式(4)计算抵消倾覆力矩后螺栓预紧力产生的最大扭矩T'，

式(4)中，f为法兰接触面摩擦系数，a为法兰接触面有效接触面积上边界直径，b为法兰接触面有效接触面积下边界直径，r为法兰接触面上各点到圆心的距离；

步骤5，通过下述公式(5)计算扭矩抗滑移安全系数S₁，进行倾覆力矩作用下扭矩抗滑移校核，

式(5)中，T_max为风机运行过程中所受的极限扭矩，极限扭矩值根据风机型号得到；若计算值S₁＞1，则认为在正常发电工况下，连接法兰在扭矩作用下不发生滑移；若计算值S₁≤1，则认为在正常发电工况下，连接法兰在扭矩作用下会发生滑移，不符合设计要求；

步骤6，通过下述公式(6)计算重力抗滑移安全系数S₂，进行重力抗滑移校核，

式(6)中，f为法兰接触面摩擦系数，z为法兰螺栓总数量，i为法兰接触面数量，F₀为法兰单个螺栓预紧力，K_s为防滑系数，G为齿轮箱重力；若计算值S₂＞1，则认为在停机工况下，连接法兰在重力方向上不发生滑移；若计算值S₂≤1，则认为在停机工况下，连接法兰在重力方向上会发生滑移，不符合设计要求；

步骤7，利用UG三维建模软件分别建立主轴底座1、螺栓2和齿轮箱等效体3的三维模型，并导入Abaqus有限元仿真计算软件，进行装配，施加螺栓预紧力、齿轮箱重力和扭矩载荷、设置边界条件和相互作用条件、划分网格，建立法兰连接有限元模型；

步骤8，将有限元模型提交计算，得到法兰连接接触面压力云图，从接触压力云图可提取出最大接触压力值，将最大接触压力与法兰材料的屈服强度作比较，计算法兰接触面强度安全系数S₃，计算公式为：

式(7)中，p_max为法兰接触面最大接触压力，δ_屈服为法兰材料的屈服强度，法兰材料的屈服强度在机械设计手册中查得；若计算值S₃＞1，则认为法兰接触面强度满足设计要求；若计算值S₃≤1，则认为法兰接触面强度不满足设计要求；

步骤9，进行法兰连接总校核，若计算值S₁＞1、S₂＞1和S₃＞1，则认为法兰连接满足设计要求；若S₁、S₂和S₃任意一个计算值小于或等于1，则认为法兰连接不满足设计要求。

所述步骤7中，设置有限元模型边界条件、相互作用条件和螺栓预紧力、齿轮箱重力及扭矩载荷时，螺栓预紧力通过螺栓载荷的形式逐一施加在每个螺栓杆上。

所述步骤7中，对法兰连接结构有限元模型划分网格时，对螺栓孔附近网格单元作密集处理，使法兰外缘附近网格划分粗大，而螺栓孔附近网格划分精细。

下面通过一具体实例进行描述。

本实施例中的参数为：法兰螺栓总数量为z＝80、内圈螺栓数量为z₁＝38、外圈螺栓数量为z₂＝42、内圈螺栓所在圆轨迹直径d₁＝1400mm、外圈螺栓所在圆轨迹直径d₂＝1700mm、外圈螺栓中心线到法兰圆心的距离r₂＝850mm、接触面数量i＝1、防滑系数K_s＝1.3、齿轮箱重心到接触面的水平距离s＝2300mm、螺栓孔径为φ₆＝60mm、法兰接触面有效接触面积上边界直径为a＝1860mm、法兰接触面有效接触面积下边界直径为b＝850mm、单个螺栓预紧力为F₀＝1200kN、法兰接触面摩擦系数f＝0.4、齿轮箱重量G＝100吨，极限扭矩T_max＝18000kN·m，法兰材料屈服强度为δ_屈服＝730MPa，其他所需几何参数根据风电机组型号不同有所差异，可根据实际需要自行设定。

1)将齿轮箱重量G＝100吨和齿轮箱重心到接触面的水平距离s＝2300mm代入公式(1)中，求得齿轮箱重力产生的倾覆力矩M＝2.254×10⁶N·m；

2)通过M＝2.254×10⁶N·m、外圈螺栓数量为z₂＝42、外圈螺栓中心线到法兰圆心的距离r₂＝850mm代入公式(2)中，求得倾覆力矩产生的最大螺栓预紧力损耗值F_损＝126.274kN；

3)通过倾覆力矩产生的最大螺栓预紧力损耗值F_损＝126.274kN、法兰螺栓总数量z＝80、单个螺栓预紧力F₀＝1200kN、内圈螺栓所在圆轨迹直径d₁＝1400mm、外圈螺栓所在圆轨迹直径d₂＝1700mm代入公式(3)中，求得法兰接触面产生的接触压力p_v＝117.60MPa；

4)通过法兰接触面产生的接触压力p_v＝117.60MPa、法兰接触面摩擦系数f＝0.4、内圈螺栓所在圆轨迹直径d₁＝1400mm、外圈螺栓所在圆轨迹直径d₂＝1700mm代入公式(4)中，求得抵消倾覆力矩后螺栓预紧力产生的最大扭矩T'＝26711.33kN·m；

5)通过抵消倾覆力矩后螺栓预紧力产生的最大扭矩T'＝26711.33kN·m、极限扭矩T_max＝18000k·N代入公式(5)中，求得扭矩抗滑移安全系数S₁＝1.484＞1，故认为在正常发电工况下，连接法兰在扭矩作用下不发生滑移；

6)通过法兰接触面摩擦系数f＝0.4、法兰螺栓总数量为z＝80、接触面数量i＝1、单个螺栓预紧力F₀＝1200kN、防滑系数K_s＝1.3、齿轮箱重量G＝100吨，求得重力抗滑移安全系数S₂＝28.634＞1，故认为在停机工况下，连接法兰在重力方向上不发生滑移；

7)通过UG三维建模软件建立法兰连接结构模型，如图2所示，包括主轴底座1、螺栓2和齿轮箱等效体3；

8)将法兰连接部件导入Abaqus有限元软件中，实施装配，并设置有限元计算的基本条件；

9)定义材料属性，材料密度为7.85g/cm³，杨氏模量为210GPa，泊松比为0.3，其余为默认设置；

10)定义分析步并施加载荷，设置两个分析步step1和step2，先在step1中施加螺栓预紧力，然后在step2中施加齿轮箱重力和扭矩。螺栓预紧力通过“螺栓载荷”方式施加到80个螺栓上，大小为1200kN。齿轮箱重力通过“体力”方式均匀施加到主轴上，大小为100吨。扭矩施加于主轴远离螺栓的端面，大小为18000kN·m；

11)定义相互作用，法兰连接中的相互作用有3种，分别是“主轴底座-齿轮箱”、“螺栓头-齿轮箱”、“螺栓杆-底座孔”。其中，将“螺栓杆-底座孔”定义为“绑定”，其余两种均定义为“接触”，摩擦公式采用“罚函数”，摩擦系数为0.4；

12)划分网格，齿轮箱等效体网格单元大小为78mm，单元数量为9544，主轴底座网格单元大小为78mm，单元数量为47056，螺栓网格单元大小为16mm，单元数量为3906。为增加计算精度，在孔结构附近将网格划分适当作集处理，总网格数量为60506，网格划分情况如图3所示；

13)提交作业，分析计算；

14)有限元计算结果后处理，如图4、图5所示，为法兰连接有限元仿真计算得到的主轴底座和齿轮箱法兰接触面接触压力云图。从图4可以看出，主轴底座接触面上的接触压力最大值为p_底座＝366.7MPa；从图5可以看出，齿轮箱法兰接触面上的接触压力最大值为p_法兰＝374.6MPa，故接触面上接触压力最大值为p_max＝374.6MPa；

15)通过接触面上接触压力最大值为p_max＝374.6MPa、风机法兰材料屈服强度为δ_屈服＝730MP，a代入公式(7)中，求得法兰接触面强度安全系数S₃＝1.949＞1，故该法兰连接接触面强度满足设计要求；

16)通过扭矩抗滑移安全系数S₁＝1.484＞1，重力抗滑移安全系数S₂＝28.634＞1，法兰接触面强度安全系数S₃＝1.949＞1，可认为该法兰连接满足设计要求。

Claims (3)

1.一种风机轴-齿轮箱法兰连接校核方法，其特征在于，校核步骤如下：

步骤1，通过下述公式(1)计算由齿轮箱重力产生的倾覆力矩M，

M＝G·s                      (1)

式(1)中，G为齿轮箱重力，s为齿轮箱重心到接触面的水平距离；

步骤2，考虑法兰外圈分布螺栓，通过下述公式(2)计算倾覆力矩产生的最大螺栓预紧力损耗值F_损，

式(2)中，z₂为法兰外圈螺栓数量，r₂为外圈螺栓中心线到法兰圆心的距离；

步骤3，通过下述公式(3)计算法兰接触面产生的接触压力p_v，

式(3)中，F₀为法兰单个螺栓预紧力，z为法兰螺栓总数量，d₁为法兰内圈螺栓所在圆轨迹直径，d₂为法兰外圈螺栓所在圆轨迹直径；

步骤4，通过下述公式(4)计算抵消倾覆力矩后螺栓预紧力产生的最大扭矩T'，

式(4)中，f为法兰接触面摩擦系数，a为法兰接触面有效接触面积上边界直径，b为法兰接触面有效接触面积下边界直径，r为法兰接触面上各点到圆心的距离；

步骤5，通过下述公式(5)计算扭矩抗滑移安全系数S₁，进行倾覆力矩作用下扭矩抗滑移校核，

式(5)中，T_max为风机运行过程中所受的极限扭矩，极限扭矩值根据风机型号得到；若计算值S₁＞1，则认为在正常发电工况下，连接法兰在扭矩作用下不发生滑移；若计算值S₁≤1，则认为在正常发电工况下，连接法兰在扭矩作用下会发生滑移，不符合设计要求；

步骤6，通过下述公式(6)计算重力抗滑移安全系数S₂，进行重力抗滑移校核，

式(6)中，f为法兰接触面摩擦系数，z为法兰螺栓总数量，i为法兰接触面数量，F₀为法兰单个螺栓预紧力，K_s为防滑系数，G为齿轮箱重力；若计算值S₂＞1，则认为在停机工况下，连接法兰在重力方向上不发生滑移；若计算值S₂≤1，则认为在停机工况下，连接法兰在重力方向上会发生滑移，不符合设计要求；

步骤7，利用UG三维建模软件分别建立主轴底座、螺栓和齿轮箱等效体的三维模型，并导入Abaqus有限元仿真计算软件，进行装配，施加螺栓预紧力、齿轮箱重力和扭矩载荷、设置边界条件和相互作用条件、划分网格，建立法兰连接有限元模型；

步骤8，将有限元模型提交计算，得到法兰连接接触面压力云图，从接触压力云图可提取出最大接触压力值，将最大接触压力与法兰材料的屈服强度作比较，计算法兰接触面强度安全系数S₃，计算公式为：

式(7)中，p_max为法兰接触面最大接触压力，δ_屈服为法兰材料的屈服强度，法兰材料的屈服强度在机械设计手册中查得；若计算值S₃＞1，则认为法兰接触面强度满足设计要求；若计算值S₃≤1，则认为法兰接触面强度不满足设计要求；

步骤9，进行法兰连接总校核，若计算值S₁＞1、S₂＞1和S₃＞1，则认为法兰连接满足设计要求；若S₁、S₂和S₃任意一个计算值小于或等于1，则认为法兰连接不满足设计要求。

2.根据权利要求1所述的一种风机轴-齿轮箱法兰连接校核方法，其特征在于：所述步骤7中，设置有限元模型相关计算条件和参数时，螺栓预紧力通过螺栓载荷的形式逐一施加在每个螺栓杆上。

3.根据权利要求1所述的一种风机轴-齿轮箱法兰连接校核方法，其特征在于：所述步骤7中，对法兰连接结构有限元模型划分网格时，对螺栓孔附近网格单元作密集处理，使法兰外缘附近网格划分粗大，而螺栓孔附近网格划分精细。

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