风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法

498 编辑：管理员来源：许继集团有限公司

2024-03-12 17:04:20

权利要求书： 1.一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立风机轮毂与主轴连接螺栓载荷传递路径上设备的三维模型，并将该三维模型导入有限元软件，建立风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型；

(2)设置风机轮毂与主轴连接螺栓有限元模型中各部件的属性和部件间的连接关系；

(3)对风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型施加极限载荷，并在有限元分析软件中对所述有限元模型进行非线性求解，计算螺栓在极限工况下的拉应力，组合拧紧产生的剪切应力得到螺栓的等效应力，结合材料屈服强度及安全系数得到螺栓极限强度性能。

2.根据权利要求1所述的一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，其特征在于，所述风机轮毂与主轴连接螺栓载荷传递路径上的设备包括变桨轴承内圈、变桨轴承、变桨轴承外圈、变桨电机、轮毂、锁紧盘、主轴假体和轮毂与主轴之间的连接螺栓，其中轮毂与主轴之间通过两圈双头螺柱进行连接，两圈双头螺柱的内圈螺栓通过轮毂与主轴的盲孔连接，外圈螺栓通过轮毂、主轴与刹车盘进行连接。

3.根据权利要求2所述的一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，其特征在于，在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型中，所述风机轮毂与主轴连接螺栓设置为梁单元，所述变桨轴承内圈、变桨轴承、变桨轴承外圈、锁紧盘、主轴假体、螺栓以及各部件之间垫片的材料均设置为钢，变桨电机、轮毂的材料均设为QT350。

4.根据权利要求2所述的一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，其特征在于，在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型中，所述变桨轴承内圈和变桨轴承外圈之间，以及变桨电机齿轮的啮合部分均设置为通过Link10单元连接，通过设置关键字设置Link10单元受压力不受拉力。

5.根据权利要求2所述的一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，其特征在于，在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型中，所述变桨电机的转动轴采用pipe16单元模拟，变桨电机转动轴与啮合齿之间的连接采用beam4单元模拟，变桨电机转动轴与变桨电机之间的连接采用pipe16单元模拟。

6.根据权利要求2所述的一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，其特征在于，两圈双头螺柱与轮毂之间设有垫片，在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型中，所述两圈双头螺柱的内圈螺栓和外圈螺栓均采用beam4单元进行模拟，垫片采用solid185实体单元划分，两圈双头螺柱与垫片之间以及两圈双头螺柱与盲孔之间均采用载荷伞连接。

7.根据权利要求2所述的一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，其特征在于，所述轮毂与主轴之间，以及主轴与锁紧盘之间设置为摩擦接触，其余部件之间设置为绑定接触。

8.根据权利要求1所述的一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，其特征在于，在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型中，对主轴末端节点在三维坐标系中三个轴向的自由度进行位移约束。

9.根据权利要求1所述的一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，其特征在于，在对在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型施加极限载荷时，首先建立叶根中心和变桨轴承内圈的约束方程，然后在叶根中心施加载荷，并将施加载荷后的在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型提交到有限元分析软件中进行计算。

说明书：一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法技术领域[0001] 本发明属于风力发电系统性能分析技术领域，具体涉及一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法。背景技术[0002] 随着传统能源的日益消耗和环境问题的日益严重，人们都在寻找能够替代传统能源的新型能源。而风能作为一种清洁无污染的可再生能源，越来越受到人们的重视。[0003] 将风能转化为电能需要利用风机，风机中轮毂与主轴之间的连接螺栓，起着在轮毂与叶片的重力以及风载的作用下传递风轮转矩的左右，并承受风轮的重力和风压造成的弯矩，因此其性能的优劣直，接关系到整个风力发电机组是否能够正常工作。[0004] 在现有的关于轮毂与主轴连接螺栓性能评价的技术中，常规的工程计算方法很难达到实际工程需要的精度，只有采用有限元软件，模拟螺栓在载荷传递路径上真实的受载情况，才能保证螺栓强度校核的可靠性。[0005] 目前，关于对轮毂与主轴连接螺栓强度性能的研究，如公布号为CN104699912A,名称为“一种风力发电机组轮毂与主轴连接螺栓强度计算方法”的专利文件，公开了一种采用有限元软件建立螺栓的有限元分析模型，计算螺栓的疲劳强度的方法。但是该专利中所建立的轮毂与主轴连接螺栓有限元模型比较简单，与轮毂与主轴连接螺栓载荷的实际传递路径不相符，所以对螺栓强度的计算结果不够准确。发明内容[0006] 本发明的目的在于提供一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，解决现有技术中在对风机轮毂与主轴连接螺栓强度进行有限元分析时，分析结果不准确的问题。[0007] 为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：[0008] 一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，包括如下步骤：[0009] (1)建立风机轮毂与主轴连接螺栓载荷传递路径上设备的三维模型，并将该三维模型导入有限元软件，建立风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型；[0010] (2)设置风机轮毂与主轴连接螺栓有限元模型中各部件的属性和部件间的连接关系；[0011] (3)对风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型施加极限载荷，并在有限元分析软件中对所述有限元模型进行非线性求解，计算螺栓在极限工况下的拉应力，组合拧紧产生的剪切应力得到螺栓的等效应力，结合材料屈服强度及安全系数得到螺栓极限强度性能。[0012] 进一步的，所述风机轮毂与主轴连接螺栓载荷传递路径上的设备包括变桨轴承内圈、变桨轴承、变桨轴承外圈、变桨电机、轮毂、锁紧盘、主轴假体和轮毂与主轴之间的连接螺栓，其中轮毂与主轴之间通过两圈双头螺柱进行连接，两圈双头螺柱的内圈螺栓通过轮毂与主轴的盲孔连接，外圈螺栓通过轮毂、主轴与刹车盘进行连接。[0013] 进一步的，在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型中，所述风机轮毂与主轴连接螺栓设置为梁单元，所述变桨轴承内圈、变桨轴承、变桨轴承外圈、锁紧盘、主轴假体、螺栓以及各部件之间垫片的材料均设置为钢，变桨电机、轮毂的材料均设为QT350。[0014] 进一步的，在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型中，所述变桨轴承内圈和变桨轴承外圈之间，以及变桨电机齿轮的啮合部分均设置为通过Link10单元连接，通过设置关键字设置Link10单元受压力不受拉力。[0015] 进一步的，在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型中，所述变桨电机的转动轴采用pipe16单元模拟，变桨电机转动轴与啮合齿之间的连接采用beam4单元模拟，变桨电机转动轴与变桨电机之间的连接采用pipe16单元模拟。[0016] 进一步的，两圈双头螺柱与轮毂之间设有垫片，在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型中，所述两圈双头螺柱的内圈螺栓和外圈螺栓均采用beam4单元进行模拟，垫片采用solid185实体单元划分，两圈双头螺柱与垫片之间以及两圈双头螺柱与盲孔之间均采用载荷伞连接。[0017] 进一步的，所述轮毂与主轴之间，以及主轴与锁紧盘之间设置为摩擦接触，其余部件之间设置为绑定接触。[0018] 进一步的，在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型中，对主轴末端节点在三维坐标系中三个轴向的自由度进行位移约束。[0019] 进一步的，在对在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型施加极限载荷时，首先建立叶根中心和变桨轴承内圈的约束方程，然后在叶根中心施加载荷，并将施加载荷后的在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型提交到有限元分析软件中进行计算。[0020] 本发明的有益效果是：本发明所提供的技术方案，建立的风机轮毂与主轴连接螺栓有限元模型中，包含了风机轮毂与主轴连接螺栓载荷传递路径上的设备，所以载荷传递的路径比较完整，所以对风机轮毂与主轴之间连接螺栓的性能计算的也比较准确。附图说明[0021] 图1是实施例中风机轮毂与主轴连接螺栓有限元模型示意图；[0022] 图2是实施例中风机轮毂与主轴连接螺栓有限元模型的变桨电机示意图；[0023] 图3是实施例中风机轮毂与主轴连接螺栓有限元模型的变桨轴承示意图；[0024] 图4是实施例中风机轮毂与主轴连接螺栓有限元模型的螺栓示意图；[0025] 图5是实施例中风机轮毂与主轴连接螺栓有限元模型的螺栓部分剖视图；[0026] 图6是实施例中风机轮毂与主轴连接螺栓有限元模型的螺栓疲劳强度计算方法示意图；[0027] 图中：1为轮毂，2为刹车盘，3为主轴，4为变桨电机，5为变桨轴承内圈，6为变桨轴承外圈，7为模拟叶根中心的mass21单元，8、9和10分别为模拟变桨电机与变桨轴承之间啮合的piepe16单元、beam4单元和link10单元，11为模拟变桨轴承滚子的link10单元，12为垫片，13和14分别为模拟螺栓及与垫片之间连接的beam4单元和piepe16单元，15为模拟轮毂中心的mass21单元。具体实施方式[0028] 本发明的目的在于提供一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，解决现有技术中在对风机轮毂与主轴连接螺栓强度进行有限元分析时，分析结果不准确的问题。[0029] 为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：[0030] 一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，包括如下步骤：[0031] (1)建立风机轮毂与主轴连接螺栓载荷传递路径上设备的三维模型，并将该三维模型导入有限元软件，建立风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型；[0032] (2)设置风机轮毂与主轴连接螺栓有限元模型中各部件的属性和部件间的连接关系；[0033] (3)对风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型施加极限载荷，并在有限元分析软件中对所述有限元模型进行非线性求解，计算螺栓在极限工况下的拉应力，组合拧紧产生的剪切应力得到螺栓的等效应力，结合材料屈服强度及安全系数得到螺栓极限强度性能。[0034] 下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。[0035] 本实施例提供一种风机轮毂与主轴连接螺栓的强度校核方法，包括如下步骤：[0036] (1)在制图软件上建立风机轮毂与主轴连接螺栓的几何模型，该几何模型包括载荷传递路径上的风机的变桨轴承内圈、变桨轴承、变桨轴承外圈、变桨电机、轮毂、锁紧盘、主轴假体以及各部件之间的垫片；制图软件可采用如Proe等软件；[0037] (2)将风机轮毂与主轴连接螺栓的几何模型导入有限元分析软件，结合变桨电机转轴、齿轮啮合几何尺寸，利用有限元软件以为单元进行有限元建模，如图1所示，有限元分析软件可采用Hpermesh等；然后设置各部件的属性以及各部件之间的连接关系；[0038] 在有限元软件中，对风机轮毂与主轴连接螺栓的几何模型中各设备分别采用实体单元进行网格划分；[0039] 在风机轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型中，风机轮毂与主轴连接螺栓设置为梁单元，变桨轴承内圈、变桨轴承、变桨轴承外圈、锁紧盘、主轴假体、螺栓以及各垫片的材料均设置为钢，变桨电机和轮毂的材料设置为QT350；[0040] 风机轮毂与主轴之间设置为通过两圈双头螺柱进行连接，两圈双头螺柱的内圈螺栓通过轮毂与主轴的盲孔连接，外圈螺栓通过轮毂、主轴与刹车盘进行连接；两圈双头螺柱与轮毂之间设有垫片，两圈双头螺柱的内圈螺栓和外圈螺栓均采用beam4单元进行模拟，垫片采用solid185实体单元划分，两圈双头螺柱与垫片之间以及两圈双头螺柱与盲孔之间均采用载荷伞连接。[0041] 变桨电机的有限元模型如图2所示，变桨电机齿轮的啮合部分之间的连接通过link10单元进行模拟，通过设置关键字设置该link10单元受压力而不受拉力；[0042] 变桨电机的转动轴采用pipe16单元来进行模拟，变桨电机转动轴与啮合齿之间的连接通过beam4单元进行模拟，变桨电机转动轴与变桨电机之间的连接通过pipe16单元进行模拟；[0043] 变桨轴承的有限元模型如图3所示，变桨轴承的内圈和变桨轴承的外圈之间的连接通过link10单元进行模拟，通过设置关键字设置该link10单元受压力而不受拉力；[0044] 轮毂与主轴之间，以及主轴与锁紧盘之间设置为摩擦接触，其余部件之间均设置为绑定接触；[0045] 轮毂与主轴连接螺栓的有限元模型如图4所示，剖视图如图5所示，轮毂与主轴连接螺栓采用beam4单元模拟并施加预紧力，其螺纹部分通过载荷伞连接；[0046] 对在主轴末端节点在Ux，Uy，Uz三个方向的自由度进行位移约束；[0047] (3)计算风机轮毂与主轴连接螺栓的强度；[0048] 对风机轮毂与主轴连结算的有限元模型施加极限载荷，根据旋转轮毂中心位置MY或MZ的极限疲劳工况下的有限元结果，提取各螺栓Sdir、Sbyt、Sbzt三个应力分量，每隔22.5度计算在对应角度下的拉应力，构建该螺栓在各角度下的载荷?应力关系曲线，结合材料SN曲线和时序载荷谱，得到螺栓在MY或MZ工况各角度下的损伤；根据损伤理论，按照损伤等于1进行等效可以得到螺栓组的疲劳强度性能。