風力發電機組螺栓預緊力與疲勞壽命研究

鐘杰,呂杏梅,趙萍,歐陽華,楊霜

(南車株洲電力機車研究所有限公司,湖南株洲412001)

0 引言

連接螺栓是影響風力發電機組結構安全的關鍵部件之一,由于承受較大載荷且工況復雜,目前風機中普遍采用預緊螺栓連接的方案。螺栓預緊力研究主要基于四條準則:分離準則;強度準則;疲勞準則;動力特性準則。本文以某MW風力發電機組夾緊法蘭與機架的連接螺栓為例,在考慮分離準則和強度準則的前提下,重點針對螺栓預緊力與其疲勞強度之間的關系進行研究。

1 有限元模型的建立

1)幾何模型

使用三維建模軟件SolidWorks建立前機架、夾緊法蘭、齒輪箱殼體假體等幾何模型,同時,根據分析要求對幾何模型進行了簡化,將零散的弓形橡膠墊簡化為一個整體。

2)有限元網格模型

將幾何模型導入有限元前處理軟件進行網格劃分,得到有限元網格模型如圖1所示。

在分析中,齒輪箱、主框架、弓形橡膠墊、夾緊法蘭、和螺母均采用C3D8R(一次六面體減縮積分),主軸簡化為梁單元;主軸與齒輪箱殼體內壁連接的GAP單元,模擬主軸承傳力;螺栓連接則采用梁單元模擬,在螺母與螺桿連接處和螺桿與螺紋連接處細化網格,定義為A點和B點,因為此處應力較大。

3)載荷邊界條件

圖1 有限元網格模型

在進行螺栓預緊力與其疲勞強度分析時,必須遵循分離準則和強度準則,因此需對接觸面的接觸狀態和螺栓強度極限進行計算。

a)螺栓極限載荷

在進行夾緊法蘭連接螺栓極限分析時,只需考慮螺栓預緊力載荷和輪轂中心載荷,表1為靜止輪轂中心Myz最大的工況下的載荷。

表1 Myz最大極限載荷

b)螺栓疲勞計算載荷

為了分析螺栓預緊程度對螺栓疲勞強度的影響,分別取螺栓預緊程度達到其屈服極限50%~90%條件下的預緊力進行了計算,疲勞載荷值見表2。

表2 疲勞載荷值

4)約束邊界條件

在全局坐標下,約束主框架底部6個方向的自由度,在輪轂靜止坐標系下約束齒輪箱兩側與楔形塊連接處2,3方向自由度,如圖2。在劃分網格時,為了保證網格質量,在不重要的部位采用了綁定約束,如螺母與夾緊法蘭、齒輪箱法蘭與弓形橡膠墊及夾緊法蘭與弓形橡膠墊。另外,齒輪箱法蘭與弓形橡膠墊、主框架前端面與弓形橡膠墊、主框架前端面與夾緊法蘭為接觸關系,為了保持接觸狀態,在齒輪箱法蘭與弓形橡膠墊和主框架前端面與弓形橡膠墊使用了過盈接觸,過盈量均為4.0 mm。

圖2 約束及接觸邊界條件的施加

2 螺栓有限元計算結果

1)不同預緊力下的接觸狀態和螺栓極限強度

計算可得到不同預緊力下螺栓極限工況(Myz max)的最大Mises應力值,見圖3。

圖3 不同預緊力下螺栓極限工況的最大應力

螺栓的許用應力:

其中:σs是材料的屈服極限,n為安全系數,對于螺栓連接的靜強度分析,根據GL規范5.3.2.1節,取安全系數為 1.1,則:

由圖3線性插值可估算預緊力在87%~88%時達到臨界許用應力,此外,計算結果顯示預緊力在50%－90%范圍內連接面均未出現張開,因此可知預緊力在50%－87%(88%)范圍內接觸狀態良好且滿足螺栓強度設計要求。

2)疲勞強度計算

a)預緊力為50%時的疲勞載荷計算結果

夾緊法蘭連接螺栓在預緊力和外載My＝5 700kN作用下的軸向應力如圖4和5所示。

圖4 預緊力和外載My＝5 700 kN作用下的A點應力

圖5 預緊力和外載My＝5 700 kN作用下的B點應力

b)螺栓應力與外載的關系

根據極限強度計算結果,選取應力較大的第8號螺栓,經過擬合得到軸向應力外載的關系曲線,如圖6和7所示。

圖6 第8號螺栓在My作用下的軸向應力與外載關系

圖7 第8號螺栓在Mz作用下的軸向應力與外載關系

c)不同預緊力下的螺栓軸向應力外載關系

同理,根據強度計算結果,對預緊力在50%－90%情況下的第8號螺栓軸向應力與外載之間的關系進行了擬合,得到它們之間的函數關系式見表3。

表3 第8號螺栓軸向應力與外載之間的關系

d)螺栓等效疲勞應力計算

通過螺栓的軸向應力與外載My、Mz間的非線性關系,交給bladed程序,結合時序載荷譜,采用通道合并功能,進行應力外推、合成并最終雨流獲得螺栓等效疲勞應力,取S－N曲線斜率為4時,不同預緊力下的等效疲勞應力見表。。

表4 第8號螺栓外載作用下等效疲勞應力

e)S－N曲線的設置

圖8 對螺栓疲勞計算的S－N曲線

在保證計算精度的條件下,采用m＝4的S－N曲線(圖8)。螺栓的疲勞等級選取為71級。因風機在設計壽命20年內的循環次數為1.83E8次,根據螺栓的S－N曲線得到在1.83E8處的應力范圍為:

f)螺栓疲勞損傷計算結果

根據GL規范中5.3.3.2.2中的要求,使用簡化的疲勞分析方法對螺栓進行疲勞分析時,應考慮局部安全系數,根據GL規范中的表格5.3.1的描述,取局部安全系數γM為1.265,并根據螺栓疲勞損傷公式,計算得到不同預緊力下的螺栓疲勞損傷值表5。損傷趨勢(圖9)。

表5 外載作用下的螺栓疲勞損傷

圖9 不同預緊力下的疲勞損傷值

3 結論

由以上分析可知,在外載條件相同的情況下,螺栓的疲勞損傷隨其預緊力的增加而減少;另外,在設計螺栓預緊力時應綜合考慮連接面狀態、螺栓極限強度及疲勞損傷等,對于本文中的機架與夾緊法蘭連接螺栓來說,最佳預緊力為屈服極限85%左右。

[1]Guideline for the Certification of Wind Turbines,2003.

[2]GBT/1591-2008低合金高強度結構鋼[S].

[3]Eurocode 3-1-9 Fatigue[2005].

[4]VDI 2230 Part 1,Systematic calculation of High Duty Bolted Joints, Joints with One Cylindrical Bolt, Verein Deutsche Ingenieure, Düsseldorf, Germany, February 2003.