CN113704918B - 一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统和方法，包括分别与控制单元连接的模型构建单元、材料参数输入单元、轴参数输入单元、载荷系数输入单元、截面参数输入单元和安全系数计算单元；材料参数输入单元，用于输入试棒材料参数；轴参数输入单元，用于输入模型的轴参数；载荷系数输入单元，用于输入载荷相关的比例系数，载荷相关的比例系数包括扭矩均值比例系数、扭矩全幅值比例系数、循环次数比例系数；截面参数输入单元，用于输入模型的截面参数；安全系数计算单元，用于计算偏航齿轮箱输出轴的安全系数。
Description
技术领域
本发明涉及齿轮箱技术领域，特别涉及一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统和方法。
背景技术
偏航齿轮箱是风力发电机组的重要组成部分，结构主要包含输入组件、行星组件和输出组件。输出轴是输出组件的重要部件，承受多变载荷，累计循环次数通常超过106次，因此需要对偏航齿轮箱的输出轴进行疲劳校核，以确保偏航齿轮箱输出轴的可靠性。
图1所示为现有技术输出轴疲劳校核的模型，左端花键连接行星组件，输入扭矩；右端齿轮连接偏航轴承，输出扭矩；中间是一对不同大小的圆锥滚子轴承(上下轴承)进行背靠背支撑。
现有模型对输出轴进行疲劳校核时，采用的载荷文件是LDD载荷谱(如图2所示)，可得到输出轴扭矩和循环次数，直接通过扭矩计算出危险截面的拉/压应力、弯曲应力和扭转应力，再通过DIN 743相关标准校核得到输出轴危险截面的安全系数。一般直接将拉应力定义为脉动循环应力，弯曲应力和扭转应力定义为对称循环应力，应力情况考虑为DIN743-1第2种应力情况，即等效平均应力σmv/应力振幅σa＝常数。
但LDD载荷谱只体现载荷强度和载荷在某段时间内的循环次数，未体现载荷随时间变化的幅度和循环次数，故直接通过LDD载荷谱重的扭矩计算应力的循环类型，对输出轴疲劳校核是不准确的，并且此应力情况并不符合DIN 743-1定义的两种应力情况；为保证校核通过，常常需要加大轴颈、增长轴颈或更换更大轴承，造成设计浪费，成本增加等不利影响。
发明内容
针对现有技术中偏航齿轮箱输出轴疲劳校核精准度较低的问题，本发明提出一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统和方法，
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统，包括控制单元，包括分别与控制单元连接的模型构建单元、材料参数输入单元、轴参数输入单元、载荷系数输入单元、截面参数输入单元和安全系数计算单元；
材料参数输入单元，用于输入试棒材料参数；轴参数输入单元，用于输入模型的轴参数；载荷系数输入单元，用于输入载荷相关的比例系数，载荷相关的比例系数包括扭矩均值比例系数、扭矩全幅值比例系数、循环次数比例系数；截面参数输入单元，用于输入模型的截面参数；安全系数计算单元，用于计算偏航齿轮箱输出轴的安全系数。
优选的，所述试棒材料参数包括试棒直径、试棒材料类型、试棒材料的S-N曲线、抗拉强度σb、屈服强度σs、拉/压交变疲劳强度σzdw、弯曲交变疲劳强度σbw、扭转交变疲劳强度τtw。
优选的，所述截面参数包括截面到输入端的长度、截面过渡小直径d、截面内孔直径di、截面热处理直径deff、截面过渡大直径D、截面过渡圆角r、截面粗糙度RZ。
优选的，所述安全系数计算单元包括载荷修正模块、许用交变疲劳强度计算模块、等效应力振幅计算模块和安全系数计算模块，其中，
载荷修正模块，用于将截面应力修正为相对应的对称循环应力，截面应力包括拉/压应力、弯曲应力、扭转应力；
许用交变疲劳强度计算模块，用于根据对称循环应力计算对应的许用交变疲劳强度；
等效应力振幅计算模块，用于计算截面应力对应的等效应力振幅；
安全系数计算模块，用于根据等效应力振幅和许用交变疲劳强度计算安全系数。
本发明还提供一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核方法，具体包括以下步骤：
S1：建立输出轴疲劳校核模型，输入试棒材料参数以及模型的轴参数；
S2：以输出轴疲劳校核模型的输入端为原点，指向模型的输出端，建立单向坐标系，建立截面应力的表达式；
S3：读取马尔科夫矩阵，获取截面应力的载荷；
S4：定义截面参数，并对S3中的载荷进行修正,得到截面应力的对称循环应力；
S5：计算截面应力的许用交变疲劳强度；
S6：根据S4中的对称循环应力和S5中的许用交变疲劳强度计算对应的等效应力振幅和截面安全系数。
优选的，所述S2中，截面应力包括拉/压应力、弯曲应力和扭转应力，则截面应力的表达式分别为：
σzd＝|σzd(T,X,d,di)|，σb＝σb(T,X,d,di)，τt＝τt(T,X,d,di)；
σzd表示拉/压应力，σb表示弯曲应力，τt表示扭转应力，T表示扭矩，X表示截面坐标值，d表示截面直径，di表示截面内孔直径。
优选的，所述S3中，获取截面应力的载荷的具体过程为：
S3-1：定义集合A、集合B、集合C；
S3-2：将集合A中首个元素赋值为0，读取马尔科夫矩阵第一行中的每一个扭矩全幅值Tq，依次添加到集合A中；
S3-3：再读取马尔科夫矩阵的第二行数据，依次添加到集合B中，首个元素为扭矩均值Tm，其余为循环次数N，此时集合A和集合B相同元素位置中，循环次数与扭矩全幅值是一一对应的；
S3-4：在集合B中，从第二个元素开始依次判断，如果N不为0，则取出循环次数N、集合A中循环次数N对应的扭矩全幅值Tq以及集合B中的扭矩均值Tm，并计算Tmax、Tmin，从而形成载荷，再将载荷添加到集合C中，其中Tmax＝(Tm+Tq)/2，Tmin＝(Tm-Tq)/2；直到所有元素判断完成后，清空集合B；
S3-5：再依次读取马尔科夫矩阵的每行数据，重复S3-3和S3-4从而分别得到对应的载荷，最终载荷全部提取在集合C中，每个载荷包含扭矩最大值Tmax、扭矩最小值Tmin、循环次数N。
优选的，所述S4中，具体包括：
S4-1：选择坐标系上任意位置的截面，并定义尺寸影响系数K1：
当热处理时的截面直径deff≤16mm，K1＝1；当16mm＜deff≤300mm，K1＝1-0.26*lg(deff/dB)，dB表示试棒直径；当300mm＜deff≤500mm，K1＝0.67；
S4-2：修正拉/压应力：拉/压应力最大值σzdmax＝max(|σzd(Tmax,X,d,di)|,|σzd(Tmin,X,d,di)|)，拉/压应力最小值σzdmin＝min(|σzd(Tmax,X,d,di)|,|σzd(Tmin,X,d,di)|)，则应力幅值σa＝(σzdmax-σzdmin)/2，应力均值σm＝(σzdmax+σzdmin)/2；当Tmax>0且Tmin<0时，σzdmin＝0；
S4-3：修正弯曲应力：弯曲应力最大值σbmax＝σb(Tmax,X,d,di),弯曲应力最小值σbmin＝σb(Tmin,X,d,di)，此时应力幅值σa＝(σbmax-σbmin)/2，应力均值σm＝(σbmax+σbmin)/2；
S4-4：修正扭转应力：τtmax＝τt(Tmax,X,d,di)，τtmin＝τt(Tmin,X,d,di)此时应力幅值σa＝(τtmax-τtmin)/2，应力均值σm＝(τtmax+τtmin)/2；
S4-5：分别将3种应力的应力均值σm和应力幅值σa代入对称循环应力计算公式得到对称循环应力σ-1，再分别把3种对称循环应力按照循环次数降序排序，则最大值就是排序后的第一个值，即最大拉/压对称循环应力σzda1、最大弯曲对称循环应力σba1、最大扭转对称循环应力τta1；
对称循环应力的计算公式如下：
σ-1＝σa/(1-σm/K1/σB(dB)),σB(dB)表示试棒的抗拉强度。
优选的，所述S5中，具体包括：
S5-1:计算截面应力相对应的总影响系数K，总影响系数K包括拉/压应力总影响系数Kzd、弯曲应力总影响系数Kb、扭转应力总影响系数Kt：
K＝(β/K2+1/KF-1)/KV；
β表示应力集中系数；K2表示几何尺寸影响系数，K2＝1；KF表示截面的粗糙度系数；KV表示表面硬化系数，
S5-2:根据总影响系数计算得到拉/压应力许用交变疲劳强度σzdADK＝σzdW(dB)*K1/Kzd，弯曲应力许用交变疲劳强度σbADK＝σbW(dB)*K1/Kb，扭转应力许用交变疲劳强度τtADK＝τtW(dB)*K1/Kt；σzdW(dB)、σbW(dB)、τtW(dB)分别为试棒的拉/压、弯曲、扭转的交变疲劳强度，K1表示尺寸影响系数。
优选的，所述S6中，具体包括：
S6-1：等效应力振幅包括拉/压应力等效应力振幅、弯曲应力等效应力振幅、扭转应力等效应力振幅：
拉/压应力等效应力振幅σzda＝σzda1/Kkσ(zd)，σzda1表示根据马尔科夫矩阵计算的最大拉/压应力，Kkσ(zd)表示拉/压应力载荷谱系数；
弯曲应力等效应力振幅σba＝σba1/Kkσ(b)，σba1表示根据马尔科夫矩阵的最大弯曲应力，Kkσ(b)表示弯曲应力载荷谱系数；
扭转应力等效应力振幅τta＝τta1/Kkσ(τ)，τta1表示根据马尔科夫矩阵的最大扭转应力，Kkσ(τ)表示扭转应力载荷谱系数；
S6-2：计算得到安全系数S，并与预设值P进行比较；若S≥P，则表示偏航齿轮箱输出轴疲劳并发出报警声，若S＜P，则表示偏航齿轮箱输出轴不疲劳，可继续工作；
安全系数S的计算公式如下：
σzda表示拉/压应力等效应力振幅，σzdADK表示拉/压应力许用交变疲劳强度；σba表示弯曲应力等效应力振幅，σbADK表示弯曲应力许用交变疲劳强度；τta表示扭转应力等效应力振幅，τtADK表示扭转应力许用交变疲劳强度。
综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明根据所有截面建立应力表达式，可自由定义截面参数和状态，可进行设计细节的优化。本发明自定义载荷的读取方法，可同时读取和处理输出轴扭矩的马尔科夫矩阵或LDD载荷谱，提高处理效率。本发明根据输出轴扭矩的马尔科夫矩阵，提供只受拉应力，不受压应力时的拉/压应力修正公式，提高了校核的精准度。
附图说明：
图1为现有输出轴疲劳校核的模型示意图。
1—小圆锥滚子轴承(上轴承)；2—大圆锥滚子轴承(下轴承)；3—输出轴。
图2为现有LDD载荷谱示意图。
图3为根据本发明示例性实施例的一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核方法流程示意图。
图4为根据本发明示例性实施例的输出轴疲劳校核模型坐标示意图。
图5为根据本发明示例性实施例的输出轴扭矩的马尔科夫矩阵示意图。
图6为根据本发明示例性实施例的一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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。
如图3所示，本发明提供一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核方法，包括以下步骤：
S1：建立输出轴疲劳校核模型，给定试棒材料参数以及模型的轴参数。
本实施例中，试棒材料参数包括试棒直径、试棒材料类型(例如为渗碳钢)、试棒材料的S-N曲线(为行业标准曲线，包括拉/压S-N曲线、弯曲S-N曲线、扭转S-N曲线)、抗拉强度σb、屈服强度σs、拉/压交变疲劳强度σzdw、弯曲交变疲劳强度σbw、扭转交变疲劳强度τtw。
模型的轴参数包括输出轴和两个圆锥滚子轴承的尺寸参数，包括输出轴校核模型的总长度L、花键长度L1、输出轴齿轮长度L2、输入端到上轴承中心长度L3、上轴承中心到下轴承中心长度L4。
S2：以输出轴疲劳校核模型的输入端为原点，指向模型的输出端，建立单向坐标系X，建立拉/压应力、弯曲应力和扭转应力的表达式。
本实施例中，如图4所示，模型的轴参数包括输出轴和两个圆锥滚子轴承的尺寸参数，包括输出轴校核模型的总长度L、花键长度L1、输出轴齿轮长度L2、输入端到上轴承中心长度L3、上轴承中心到下轴承中心长度L4。
本实施例中，按力学对模型进行受力分析，可知拉/压应力均为正值(取绝对值)，弯曲应力与扭转应力可正可负，建立表达式的目的是方便后续校核任意位置和任意截面的强度。
拉/压应力、弯曲应力和扭转应力相对于扭矩T、坐标值X、截面直径d和截面内孔直径di的函数表达式：
σzd＝|σzd(T,X,d,di)|，σb＝σb(T,X,d,di)，τt＝τt(T,X,d,di)。
S3：读取马尔科夫矩阵，获取拉/压应力、弯曲应力、扭转应力的载荷。
本实施例中，如图5所示，为输出轴扭矩的马尔科夫矩阵(是现有的矩阵)，马尔科夫矩阵是时序载荷雨流统计的直接结果，第一行数据为扭矩全幅值，第二列数据为扭矩均值，其余为循环次数，可完整体现载荷变化情况。
本实施例中，也可读取LDD载荷谱，只需把时间和转速转化为循环次数即可。
本实施例中，由于马尔科夫矩阵可能是各种类型的载荷，因此载荷需要通过系数转化到输出轴，即输入载荷相关的比例系数，再直接读取马尔科夫矩阵：
扭矩均值×扭矩均值比例系数＝输出轴的扭矩均值(Nm)；
扭矩全幅值×扭矩全幅值比例系数＝输出轴的扭矩全幅值(Nm)；
循环次数×循环次数比例系数＝输出轴的循环次数。
本实施例中，可通过C语言或C++语言读取马尔科夫矩阵，获取载荷的具体过程为：
S3-1：定义集合A、集合B、集合C(一个元素三个属性)；
S3-2：将集合A中首个元素赋值为0，读取马尔科夫矩阵第一行中的每一个数据(扭矩全幅值Tq)，依次添加到集合A中；
S3-3：再读取矩阵的第二行数据，依次添加到集合B中，首个元素为扭矩均值Tm，其余为循环次数N，此时集合A和集合B相同元素位置中，循环次数与扭矩全幅值是一一对应的。
S3-4：在集合B中，从第二个元素(循环次数N)开始依次判断，如果N不为0(如果N为0呢，则舍弃)，则取出循环次数N、集合A中循环次数N对应的扭矩全幅值Tq，以及集合B的首个元素(扭矩均值Tm)，并计算Tmax、Tmin，从而形成载荷(循环次数N、扭矩最大值Tmax、扭矩最小值Tmin)，再将载荷添加到集合C中，其中Tmax＝(Tm+Tq)/2，Tmin＝(Tm-Tq)/2。直到所有元素判断完成后，清空集合B；
S3-5：再依次读取马尔科夫矩阵的每行数据，重复S3-3和S3-4从而分别得到对应的载荷，最终载荷全部提取在集合C中，每个载荷包含扭矩最大值Tmax、扭矩最小值Tmin、循环次数N。
S4：定义截面参数，并对S3中的载荷进行修正,分别得到拉/压应力、弯曲应力、扭转应力相对应的对称循环应力。
本实施例中，截面为模型中任一截面，包括圆角过渡圆轴截面、无过渡圆轴截面和轴承圆轴截面等，可根据实际情况选择相应截面并输入截面参数，也可选择表面是否硬化，有利于对截面进行细节优化设计。
本实施例中，截面参数包括截面到输入端的长度、截面过渡小直径d、截面内孔直径di、截面热处理直径deff、截面过渡大直径D、截面过渡圆角r、截面过渡圆角粗糙度RZ、硬化选择。
S4-1：选择坐标系X上任意位置的截面，并定义尺寸影响系数K1。当热处理时的截面直径deff≤16，K1＝1；当16＜deff≤300，K1＝1-0.26*lg(deff/dB)，dB表示试棒直径；当300＜deff≤500，K1＝0.67。
S4-2：修正拉/压应力：拉/压应力最大值σzdmax＝max(|σzd(Tmax,X,d,di)|,|σzd(Tmin,X,d,di)|)，拉/压应力最小值σzdmin＝min(|σzd(Tmax,X,d,di)|,|σzd(Tmin,X,d,di)|)，需要注意：当Tmax>0且Tmin<0时，σzdmin＝0，此时应力幅值σa＝(σzdmax-σzdmin)/2，应力均值σm＝(σzdmax+σzdmin)/2。
S4-3：修正弯曲应力：弯曲应力最大值σbmax＝σb(Tmax,X,d,di),弯曲应力最小值σbmin＝σb(Tmin,X,d,di)，此时应力幅值σa＝(σbmax-σbmin)/2，应力均值σm＝(σbmax+σbmin)/2。
S4-4：修正扭转应力：τtmax＝τt(Tmax,X,d,di)，τtmin＝τt(Tmin,X,d,di)此时应力幅值σa＝(τtmax-τtmin)/2，应力均值σm＝(τtmax+τtmin)/2。
S4-5：分别将3种应力的应力均值σm和应力幅值σa代入根据Goodman的推导公式中，分别得到对应的对称循环应力σ-1，再分别把3种对称循环应力按照循环次数降序排序，则最大值就是排序后的第一个值，可得到最大拉/压对称循环应力σzda1、最大弯曲对称循环应力σba1、最大扭转对称循环应力τta1。
对称循环应力计算公式如下：
σ-1＝σa/(1-σm/K1/σB(dB)),σB(dB)表示试棒的抗拉强度。
S5：计算截面应力相对应的许用交变疲劳强度。
S5-1:计算截面应力相对应的总影响系数K，包括拉/压应力总影响系数Kzd、弯曲应力总影响系数Kb、扭转应力总影响系数Kt。
K＝(β/K2+1/KF-1)/KV；
当截面应力为拉/压应力时，β＝αzd/nzd，αzd表示拉/压应力形状系数，nzd表示拉/压应力缺口敏感系数；K2表示拉/压应力几何尺寸影响系数，K2＝1；KF表示截面的粗糙度系数，当截面粗糙度Rz≤1，KF＝1，当Rz＞1时，KF＝1-0.22*lg(Rz)*(lg(K1*σB(dB)/20)-1)，σB(dB)表示试棒的抗拉强度,单位为N/mm2；KV表示表面硬化系数，截面过渡小直径d<25mm或表面无硬化,KV＝1，d>55mm,KV＝1,25mm≤d≤55mm，KV＝1.2-(d-25)/150。
当截面应力为弯曲应力时，β＝αb/nb，αb表示弯曲应力形状系数，nb表示弯曲应力缺口敏感系数；K2表示弯曲应力几何尺寸影响系数，截面过渡小直径d＜7.5mm，K2＝1,7.5mm≤d＜150mm，K2＝1-0.2*lg(d/7.5)/lg(20)，d≥150mm,K2＝0.8；KF表示截面的粗糙度系数，当截面粗糙度Rz≤1，KF＝1，当Rz＞1时，KF＝1-0.22*lg(Rz)*(lg(K1*σB(dB)/20)-1)，σB(dB)表示试棒的抗拉强度,单位为N/mm2；KV表示表面硬化系数，截面过渡小直径d<25mm或表面无硬化,KV＝1，d>55mm,KV＝1,25mm≤d≤55mm，KV＝1.2-(d-25)/150。
当截面应力为扭转应力时，K＝(β/K2+1/KF(τ)-1)/KV；β＝αt/nt，αt表示扭转应力形状系数，nt表示扭转应力缺口敏感系数；K2表示扭转应力几何尺寸影响系数，截面过渡小直径d＜7.5mm，K2＝1,7.5mm≤d＜150mm，K2＝1-0.2*lg(d/7.5)/lg(20)，d≥150mm,K2＝0.8；KF(τ)表示截面的粗糙度系数，当截面粗糙度Rz≤1，KF＝1，当Rz＞1时，KF(τ)＝0.575*KF+0.425,KF为拉/压应力或弯曲应力的粗糙度系数，σB(dB)表示试棒的抗拉强度,单位为N/mm2；KV表示表面硬化系数，截面过渡小直径d<25mm或表面无硬化,KV＝1，d>55mm,KV＝1,25mm≤d≤55mm，KV＝1.2-(d-25)/150。
S5-2:由于将载荷修正为对称循环应力，可不考虑平均应力的影响，故修正公式得到拉/压应力许用交变疲劳强度σzdADK＝σzdW(dB)*K1/Kzd，弯曲应力许用交变疲劳强度σbADK＝σbW(dB)*K1/Kb，扭转应力许用交变疲劳强度τtADK＝τtW(dB)*K1/Kt。σzdW(dB)、σbW(dB)、τtW(dB)分别为试棒的拉/压、弯曲、扭转的交变疲劳强度。
S6：根据S4的对称循环应力分别计算对应的等效应力振幅，再根据等效应力振幅和S5中的许用交变疲劳强度计算截面安全系数。
S6-1：根据S4的对称循环应力计算对应的等效应力振幅，等效应力振幅包括拉/压应力等效应力振幅、弯曲应力等效应力振幅、扭转应力等效应力振幅：
拉/压应力等效应力振幅σzda＝σzda1/Kkσ(zd)，σzda1表示根据马尔科夫矩阵计算的最大拉/压对称循环应力，Kkσ(zd)表示拉/压应力载荷谱系数，qσ(zd)表示拉/压应力S-N曲线斜率，νσ(zd)表示拉/压应力载荷谱形状系数，i表示载荷下标，从1开始，k表示拉/压对称循环应力降序排序后代入计算的个数，N*表示循环次数为106，ni表示降序排序后，拉/压对称循环应力从大到小代入的对应循环次数，计算时，每次累加循环次数，代入计算的循环次数总和根据此条件可算出k，可能需要舍弃下标k应力对应的部分循环次数，还需要舍弃累加循环次数超过106之后的较小对称应力和循环次数，σ-1zdiσ-1i表示代入计算的第i个拉/压对称循环应力；DM表示迈因纳总量推荐值，可为0.3；
弯曲应力等效应力振幅σba＝σba1/Kkσ(b)，σba1表示根据马尔科夫矩阵的最大弯曲对称循环应力，Kkσ(b)表示弯曲应力载荷谱系数，qσ(b)表示弯曲应力S-N曲线斜率，νσ(b)表示弯曲应力载荷谱形状系数，/>i表示载荷下标，从1开始，k表示弯曲对称循环应力降序排序后代入计算的个数，N*表示循环次数为106，ni表示降序排序后，弯曲对称循环应力从大到小代入的对应循环次数，计算时，每次累加循环次数，代入计算的循环次数总和/>根据此条件可算出k，可能需要舍弃下标k应力对应的部分循环次数，还需要舍弃累加循环次数超过106之后的较小对称应力和循环次数，σ-1bi表示代入计算的第i个弯曲对称循环应力；DM表示迈因纳总量推荐值，可为0.3。
扭转应力等效应力振幅τta＝τta1/Kkσ(τ)，τta1表示根据马尔科夫矩阵的最大扭转对称循环应力，Kkσ(τ)表示扭转应力载荷谱系数，表示扭转应力S-N曲线斜率，νσ(τ)表示扭转应力载荷谱形状系数，/>i表示载荷下标，从1开始，k表示扭转对称循环应力降序排序后代入计算的个数，N*表示循环次数为106，ni表示降序排序后，扭转对称循环应力从大到小代入的对应循环次数，计算时，每次累加循环次数，代入计算的循环次数总和/>根据此条件可算出k，可能需要舍弃下标k应力对应的部分循环次数，还需要舍弃累加循环次数超过106之后的较小对称应力和循环次数，σ-1τi表示代入计算的第i个扭转对称循环应力；DM表示迈因纳总量推荐值，可为0.3。
S6-2：根据等效应力振幅和S5中的许用交变疲劳强度计算得到安全系数S，并与预设值P进行比较；若S≥P，则表示偏航齿轮箱输出轴疲劳并发出报警声，若S＜P，则表示偏航齿轮箱输出轴不疲劳，可继续工作。
安全系数S的计算公式如下：
σzda表示拉/压应力等效应力振幅，σzdADK表示拉/压应力许用交变疲劳强度；σba表示弯曲应力等效应力振幅，σbADK表示弯曲应力许用交变疲劳强度；τta表示扭转应力等效应力振幅，τtADK表示扭转应力许用交变疲劳强度。
基于上述方法，如图6所示，本发明还提供一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统，包括控制单元、模型构建单元、材料参数输入单元、轴参数输入单元、载荷系数输入单元、截面参数输入单元和安全系数计算单元；模型构建单元、材料参数输入单元、轴参数输入单元、载荷系数输入单元、截面参数输入单元和安全系数计算单元分别和控制单元双向连接。
本实施例中，还包括存储单元，用于存储各种参数和预设值P；还包括比对单元，用于将安全系数计算单元输出的安全系数与预设值P进行比对，并将比对结果发送到报警单元，若S≥P，则表示偏航齿轮箱输出轴疲劳，报警单元发出报警声，若S＜P，则表示偏航齿轮箱输出轴不疲劳，可继续工作。
控制单元，用于处理个单元之间的信息传输；
模型构建单元，用于构建偏航齿轮箱输出轴疲劳校核模型；
材料参数输入单元，用于输入试棒材料参数，包括试棒直径、试棒材料类型(例如为渗碳钢)、试棒材料的S-N曲线(为行业标准曲线，包括拉/压S-N曲线、弯曲S-N曲线、扭转S-N曲线)、抗拉强度σb、屈服强度σs、拉/压交变疲劳强度σzdw、弯曲交变疲劳强度σbw、扭转交变疲劳强度τtw；
轴参数输入单元，用于输入模型的轴参数，轴参数包括输出轴和两个圆锥滚子轴承的尺寸参数，包括输出轴校核模型的总长度L、花键长度L1、输出轴齿轮长度L2、输入端到上轴承中心长度L3、上轴承中心到下轴承中心长度L4；
载荷系数输入单元，用于输入载荷相关的比例系数，以将马尔科夫矩阵中的载荷转化到输出轴，载荷相关的比例系数包括扭矩均值比例系数、扭矩全幅值比例系数、循环次数比例系数；
截面参数输入单元，用于输入模型的截面参数，截面参数包括截面到输入端的长度、截面过渡小直径d、截面内孔直径di、截面热处理直径deff、截面过渡大直径D、截面过渡圆角r、截面过渡圆角粗糙度RZ、硬化选择；
安全系数计算单元，用于计算输出轴的安全系数。
本实施例中，安全系数计算单元包括依次连接的载荷修正模块、许用交变疲劳强度计算模块、等效应力振幅计算模块和安全系数计算模块。
载荷修正模块，用于将截面应力(拉/压应力、弯曲应力、扭转应力)修正为相对应的对称循环应力；
许用交变疲劳强度计算模块，用于根据对称循环应力计算对应的许用交变疲劳强度；
等效应力振幅计算模块，用于计算截面应力对应的等效应力振幅；
安全系数计算模块，用于根据等效应力振幅和许用交变疲劳强度计算安全系数。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (4)
1.一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统，包括控制单元，其特征在于，还包括分别与控制单元连接的模型构建单元、材料参数输入单元、轴参数输入单元、载荷系数输入单元、截面参数输入单元和安全系数计算单元；
材料参数输入单元，用于输入试棒材料参数；轴参数输入单元，用于输入模型的轴参数；载荷系数输入单元，用于输入载荷相关的比例系数，载荷相关的比例系数包括扭矩均值比例系数、扭矩全幅值比例系数、循环次数比例系数；截面参数输入单元，用于输入模型的截面参数；安全系数计算单元，用于计算偏航齿轮箱输出轴的安全系数；
该偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统的工作方法，具体包括以下步骤：
S1：建立输出轴疲劳校核模型，输入试棒材料参数以及模型的轴参数；
S2：以输出轴疲劳校核模型的输入端为原点，指向模型的输出端，建立单向坐标系，建立截面应力的表达式；
所述S2中，截面应力包括拉/压应力、弯曲应力和扭转应力，则截面应力的表达式分别为：
σzd＝|σzd(T,X,d,di)|，σb＝σb(T,X,d,di)，τt＝τt(T,X,d,di)；
σzd表示拉/压应力，σb表示弯曲应力，τt表示扭转应力，T表示扭矩，X表示截面坐标值，d表示截面直径，di表示截面内孔直径；
S3：读取马尔科夫矩阵，获取截面应力的载荷；
所述S3中，获取截面应力的载荷的具体过程为：
S3-1：定义集合A、集合B、集合C；
S3-2：将集合A中首个元素赋值为0，读取马尔科夫矩阵第一行中的每一个扭矩全幅值Tq，依次添加到集合A中；
S3-3：再读取马尔科夫矩阵的第二行数据，依次添加到集合B中，首个元素为扭矩均值Tm，其余为循环次数N，此时集合A和集合B相同元素位置中，循环次数与扭矩全幅值是一一对应的；
S3-4：在集合B中，从第二个元素开始依次判断，如果N不为0，则取出循环次数N、集合A中循环次数N对应的扭矩全幅值Tq以及集合B中的扭矩均值Tm，并计算Tmax、Tmin，从而形成载荷，再将载荷添加到集合C中，其中Tmax＝(Tm+Tq)/2，Tmin＝(Tm-Tq)/2；直到所有元素判断完成后，清空集合B；
S3-5：再依次读取马尔科夫矩阵的每行数据，重复S3-3和S3-4从而分别得到对应的载荷，最终载荷全部提取在集合C中，每个载荷包含扭矩最大值Tmax、扭矩最小值Tmin、循环次数N；
S4：定义截面参数，并对S3中的载荷进行修正,得到截面应力的对称循环应力；
所述S4中，具体包括：
S4-1：选择坐标系上任意位置的截面，并定义尺寸影响系数K1：
当热处理时的截面直径deff≤16mm，K1＝1；当16mm＜deff≤300mm，K1＝1-0.26*lg(deff/dB)，dB表示试棒直径；当300mm＜deff≤500mm，K1＝0.67；
S4-2：修正拉/压应力：拉/压应力最大值σzdmax＝max(|σzd(Tmax,X,d,di)|,|σzd(Tmin,X,d,di)|)，拉/压应力最小值σzdmin＝min(|σzd(Tmax,X,d,di)|,
|σzd(Tmin,X,d,di)|)，则应力幅值σa＝(σzdmax-σzdmin)/2，
应力均值σm＝(σzdmax+σzdmin)/2；当Tmax>0且Tmin<0时，σzdmin＝0；
S4-3：修正弯曲应力：弯曲应力最大值σbmax＝σb(Tmax,X,d,di),弯曲应力最小值σbmin＝σb(Tmin,X,d,di)，此时应力幅值σa＝(σbmax-σbmin)/2，应力均值σm＝(σbmax+σbmin)/2；
S4-4：修正扭转应力：τtmax＝τt(Tmax,X,d,di)，τtmin＝τt(Tmin,X,d,di)此时应力幅值σa＝(τtmax-τtmin)/2，应力均值σm＝(τtmax+τtmin)/2；
S4-5：分别将3种应力的应力均值σm和应力幅值σa代入对称循环应力计算公式得到对称循环应力σ-1，再分别把3种对称循环应力按照循环次数降序排序，则最大值就是排序后的第一个值，即最大拉/压对称循环应力σzda1、最大弯曲对称循环应力σba1、最大扭转对称循环应力τta1；
对称循环应力的计算公式如下：
σ-1＝σa/(1-σm/K1/σB(dB)),σB(dB)表示试棒的抗拉强度；
S5：计算截面应力的许用交变疲劳强度；
所述S5中，具体包括：
S5-1:计算截面应力相对应的总影响系数K，总影响系数K包括拉/压应力总影响系数Kzd、弯曲应力总影响系数Kb、扭转应力总影响系数Kt：
K＝(β/K2+1/KF-1)/KV；
β表示应力集中系数；K2表示几何尺寸影响系数，K2＝1；KF表示截面的粗糙度系数；KV表示表面硬化系数，
S5-2:根据总影响系数计算得到拉/压应力许用交变疲劳强度
σzdADK＝σzdW(dB)*K1/Kzd，弯曲应力许用交变疲劳强度σbADK＝σbW(dB)*K1/Kb，扭转应力许用交变疲劳强度τtADK＝τtW(dB)*K1/Kt；σzdW(dB)、σbW(dB)、τtW(dB)分别为试棒的拉/压、弯曲、扭转的交变疲劳强度，K1表示尺寸影响系数；
S6：根据S4中的对称循环应力和S5中的许用交变疲劳强度计算对应的等效应力振幅和截面安全系数；
所述S6中，具体包括：
S6-1：等效应力振幅包括拉/压应力等效应力振幅、弯曲应力等效应力振幅、扭转应力等效应力振幅：
拉/压应力等效应力振幅σzda＝σzda1/Kkσ(zd)，σzda1表示根据马尔科夫矩阵计算的最大拉/压应力，Kkσ(zd)表示拉/压应力载荷谱系数；
弯曲应力等效应力振幅σba＝σba1/Kkσ(b)，σba1表示根据马尔科夫矩阵的最大弯曲应力，Kkσ(b)表示弯曲应力载荷谱系数；
扭转应力等效应力振幅τta＝τta1/Kkσ(τ)，τta1表示根据马尔科夫矩阵的最大扭转应力，Kkσ(τ)表示扭转应力载荷谱系数；
S6-2：计算得到安全系数S，并与预设值P进行比较；若S≥P，则表示偏航齿轮箱输出轴疲劳并发出报警声，若S＜P，则表示偏航齿轮箱输出轴不疲劳，可继续工作；
安全系数S的计算公式如下：
σzda表示拉/压应力等效应力振幅，σzdADK表示拉/压应力许用交变疲劳强度；σba表示弯曲应力等效应力振幅，σbADK表示弯曲应力许用交变疲劳强度；τta表示扭转应力等效应力振幅，τtADK表示扭转应力许用交变疲劳强度。
2.如权利要求1所述的一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统，其特征在于，所述试棒材料参数包括试棒直径、试棒材料类型、试棒材料的S-N曲线、抗拉强度σb、屈服强度σs、拉/压交变疲劳强度σzdw、弯曲交变疲劳强度σbw、扭转交变疲劳强度τtw。
3.如权利要求1所述的一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统，其特征在于，所述截面参数包括截面到输入端的长度、截面过渡小直径d、截面内孔直径di、截面热处理直径deff、截面过渡大直径D、截面过渡圆角r、截面粗糙度RZ。
4.如权利要求1所述的一种偏航齿轮箱输出轴疲劳校核系统，其特征在于，所述安全系数计算单元包括载荷修正模块、许用交变疲劳强度计算模块、等效应力振幅计算模块和安全系数计算模块，其中，
载荷修正模块，用于将截面应力修正为相对应的对称循环应力，截面应力包括拉/压应力、弯曲应力、扭转应力；
许用交变疲劳强度计算模块，用于根据对称循环应力计算对应的许用交变疲劳强度；
等效应力振幅计算模块，用于计算截面应力对应的等效应力振幅；
安全系数计算模块，用于根据等效应力振幅和许用交变疲劳强度计算安全系数。
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