CN110991111A - 一种基于摩擦接触的风电齿轮箱行星架的疲劳计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于摩擦接触的风电齿轮箱行星架的疲劳计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：建立要求的笛卡尔坐标系下的有限元模型；依据厚壁圆筒理论计算行星架与收缩盘之间的面压力，将其施加在行星架外表面，行星架与收缩盘之间的摩擦接触设为刚好接触；行星架与销轴的摩擦接触考虑偏置量；定义恒值工况；步骤二：载荷依据坐标分量分为3个力和3个力矩，除去轴向力，余下的分别作为单个载荷工况输入施加在模型上，工况定义载荷工况；步骤三：得到应力谱；步骤四：将行星架切割为不同的体。最后，依据疲劳算法Miner线性累计损伤理论，计算总损伤值。本发明提出一种更快捷、更可靠、更准确的风电齿轮箱行星架的疲劳计算方法。

Description

一种基于摩擦接触的风电齿轮箱行星架的疲劳计算方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于摩擦接触的风电齿轮箱行星架的疲劳计算方法，具体地说，是对风电齿轮箱行星架的有限元建模、载荷处理、摩擦接触处理都有所涉及的一种疲劳计算方法。

背景技术

随着国内风电市场的快速发展，风电机组结构件的可靠性在设计中显得越来越重要。风电齿轮箱行星架是风电机组中的关键部件，它的疲劳失效分析对风力发电机组的寿命和经济价值有着至关重要的作用。现如今，有限元方法已经被广泛应用，但是大部分都是基于静强度的计算，在疲劳计算方面还是有着很多不足。因此提升行星架疲劳计算结果的准确度就显得尤为重要了。

发明内容

本发明提供一种基于摩擦接触的风电齿轮箱行星架的疲劳计算方法，其目的是解决现有技术的缺点，提出一种更快捷、更可靠、更准确的风电齿轮箱行星架的疲劳计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于摩擦接触的风电齿轮箱行星架的疲劳计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：建立要求的总体坐标系下的有限元模型，计算模型中包括行星架、销轴、主轴假体，主轴假体即一段圆柱体，所取长度为主轴轴承中心处到主轴端面；建模时，首先依据厚壁圆筒理论计算行星架与收缩盘之间的面压力，之后将此面压力按收缩盘宽度施加在行星架外表面；最后，将主轴假体与行星架、行星架的孔与销轴之间的配合设置为摩擦接触，主轴假体与行星架之间的配合设置为刚好接触，行星架的孔与销轴之间的配合通过偏置量来体现；将包含面压力和摩擦接触且不施加载荷的情况称为恒值工况；

步骤二：载荷依据笛卡尔坐标系的坐标分量分为3个力和3个力矩共6种载荷，它们分别为一个轴向力、两个径向力、一个扭矩和两个弯矩；考虑到主轴轴承对轴向力的抵消，将余下的5种载荷每个都按照正、负两个单位量，分别作为单个载荷工况输入施加在模型上，其中扭矩分解为切向力，均匀分配到每个销轴上，另外4种载荷通过计算转化为轴承力施加在行星架上；同时，将收缩盘与行星架的摩擦接触修改为线性接触且去掉面压力，行星架与销轴的摩擦接触不考虑偏置量；将施加载荷时的工况称为载荷工况；

步骤三：在时间序列载荷的每个工况文本最后再加入一列全为1的列向量，通过软件编程实现；使用疲劳分析软件从修改之后的时间序列文本中把5种载荷对应的列和最后一列提取出来，其中载荷按正、负再处理一次，之后组合在一起，即时间载荷历程；利用时间载荷历程与载荷工况和恒值工况下的计算结果的线性乘积来计算应力时间历程，即应力谱，再对应力谱进行雨流计数；

步骤四：依据德国劳埃德GL2010规范第五章附录B中的规定，建立不同应力比下的S-N曲线组，选取9个应力比R＝-2，R＝-1.5，R＝-1，R＝-0.5,R＝0,R＝0.5,R＝0.7,R＝0.8,R＝0.9；行星架每个位置赋予相对应的S-N曲线组；最后，依据疲劳算法Miner线性累计损伤理论，计算疲劳损伤。

本发明的有益之处在于：

1、对行星架和收缩盘的连结用摩擦接触和面压力的方式处理，省略了收缩盘建模，且简化了主轴模型，使得建模更加快捷。

2、将面压力、行星架与销轴的摩擦接触、载荷施加这三项按照不同的情况加以考虑并计算，这样更加接近实际情况，可以使结果更准确。

3、因为不同的载荷类型会得到不同的应力类型和效果，所以把载荷分正负区分，可以使得计算结果更可靠。

4、根据粗糙度和铸件等级要求的不同，将行星架切割为不同的体，赋予不同的S-N曲线组，更加可以提升计算结果的精确度。

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为行星架、主轴和收缩盘的装配关系示意简图；

图2为风电齿轮箱行星架计算模型；

图3为QT700一种粗糙度和铸件等级要求的不同应力比下的S-N曲线组。

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。

本发明提出了一种基于摩擦接触风电齿轮箱行星架的疲劳计算方法。首先使用有限元分析软件来完成对风电齿轮箱行星架的有限元建模，然后利用疲劳分析软件和编程软件对时间序列载荷进行处理，再结合根据行业相关标准建立的多组多应力比S-N曲线组，计算风电齿轮箱行星架的疲劳损伤。本发明的具体内容是对行星架的有限元建模，载荷处理，摩擦接触的处理方法。本发明方法的实现灵感来源于惯性释放法和Miner线性累计损伤法则。

本发明的具体实现方式如下：

如图1、图2所示：

步骤一：建立要求的笛卡尔坐标系下的有限元模型，计算模型中包括行星架1、销轴5和主轴2，主轴2在建模时做成主轴假体，即一段圆柱体，所取长度为主轴2的轴承中心处到主轴2的端面，以后出现的主轴2即指主轴假体；在实际运行中，行星架1的内孔与主轴2相连，行星架1的外表面是收缩盘内环3和收缩盘外环4组合成的收缩盘34，通过调整收缩盘内环3上的螺栓轴向距离来收紧收缩盘内环3和收缩盘外环4，压紧主轴2和行星架1，从而传递载荷。因此建模时，首先依据厚壁圆筒理论计算行星架1与收缩盘34之间的面压力，之后将此面压力按收缩盘34宽度施加在行星架1外表面；最后，将主轴2与行星架1、行星架1的孔与销轴5之间的配合设置为摩擦接触，行星架1的孔与销轴5之间的配合通过过盈量或间隙值(两者统称为偏置量，下同)来体现，主轴2与行星架1的接触设置为刚好接触，即孔与轴之间的偏置量默认为零。将包含面压力和摩擦接触且不施加载荷的情况称为恒值工况。

步骤二：将载荷依据笛卡尔坐标系的坐标分量分为3个力和3个力矩，共6种载荷,它们分别为一个轴向力、两个径向力、一个扭矩和两个弯矩。主轴轴承指的是用在主轴2上的轴承，考虑到主轴轴承对轴向力的抵消，将余下的5种载荷每个都按照正、负两个单位量，分别作为单个载荷工况输入施加在模型上，其中轴向力矩分解为切向力，均匀分配到每个销轴5上，另外4种载荷通过计算转化为轴承力施加在行星架1上。同时，将收缩盘34与行星架1的摩擦接触修改为线性接触且去掉面压力，行星架1与销轴5的摩擦接触不考虑偏置量。将施加载荷时的工况称为载荷工况。

步骤三：在时间序列载荷的每个工况文本最后再加入一列全为1的列向量，通过软件编程实现；使用疲劳分析软件从修改之后的时间序列文本中把5种载荷对应的列和最后一列提取出来，其中载荷还需按正负再处理一次，之后组合在一起，即时间载荷历程。利用时间载荷历程与载荷工况和恒值工况下的计算结果的线性乘积来计算应力时间历程，即应力谱，再对应力谱进行雨流计数。

步骤四：依据德国劳埃德GL2010规范第五章附录B中的规定，建立不同应力比下的S-N曲线组，选取9个应力比R＝-2，R＝-1.5，R＝-1，R＝-0.5,R＝0,R＝0.5,R＝0.7,R＝0.8,R＝0.9。因为行星架某些位置之间粗糙度和铸件等级要求是不同的，所以每个位置会赋予相对应的S-N曲线组。最后，依据疲劳算法Miner线性累计损伤理论，计算疲劳损伤。

图3中，R-Ratio Life Curves为多应力比寿命曲线组；Stress Range(MPa)为应力幅值，单位兆帕；Life(cycles)为寿命或循环次数；A：应力比R＝-2下的QT700的S-N曲线；B：应力比R＝-1.5下的QT700的S-N曲线；C：应力比R＝-1下的QT700的S-N曲线；D：应力比R＝-0.5下的QT700的S-N曲线；E：应力比R＝0下的QT700的S-N曲线；F：应力比R＝0.5下的QT700的S-N曲线；G：应力比R＝0.7下的QT700的S-N曲线；H：应力比R＝0.8下的QT700的S-N曲线；I：应力比R＝0.9下的QT700的S-N曲线。

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)

1.一种基于摩擦接触的风电齿轮箱行星架的疲劳计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：建立要求的总体坐标系下的有限元模型，计算模型中包括行星架、销轴、主轴假体，主轴假体即一段圆柱体，所取长度为主轴轴承中心处到主轴端面；建模时，首先依据厚壁圆筒理论计算行星架与收缩盘之间的面压力，之后将此面压力按收缩盘宽度施加在行星架外表面；最后，将主轴假体与行星架、行星架的孔与销轴之间的配合设置为摩擦接触，主轴假体与行星架之间的配合设置为刚好接触，行星架的孔与销轴之间的配合通过偏置量来体现；将包含面压力和摩擦接触且不施加载荷的情况称为恒值工况；

步骤二：载荷依据笛卡尔坐标系的坐标分量分为3个力和3个力矩共6种载荷，它们分别为一个轴向力、两个径向力、一个扭矩和两个弯矩；考虑到主轴轴承对轴向力的抵消，将余下的5种载荷每个都按照正、负两个单位量，分别作为单个载荷工况输入施加在模型上，其中扭矩分解为切向力，均匀分配到每个销轴上，另外4种载荷通过计算转化为轴承力施加在行星架上；同时，将收缩盘与行星架的摩擦接触修改为线性接触且去掉面压力，行星架与销轴的摩擦接触不考虑偏置量；将施加载荷时的工况称为载荷工况；

步骤三：在时间序列载荷的每个工况文本最后再加入一列全为1的列向量，通过软件编程实现；使用疲劳分析软件从修改之后的时间序列文本中把5种载荷对应的列和最后一列提取出来，其中载荷按正、负再处理一次，之后组合在一起，即时间载荷历程；利用时间载荷历程与载荷工况和恒值工况下的计算结果的线性乘积来计算应力时间历程，即应力谱，再对应力谱进行雨流计数；

步骤四：依据德国劳埃德GL2010规范第五章附录B中的规定，建立不同应力比下的S-N曲线组，选取9个应力比R＝-2，R＝-1.5，R＝-1，R＝-0.5,R＝0,R＝0.5,R＝0.7,R＝0.8,R＝0.9；行星架每个位置赋予相对应的S-N曲线组；最后，依据疲劳算法Miner线性累计损伤理论，计算疲劳损伤。

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