裝配間隙對風電鎖緊盤性能的影響分析

褚波

摘要：針對風電鎖緊盤裝配時各組件配合面存在間隙的狀況提出四種裝配間隙模型，采用有限元分析軟件ABAQUS建立了風電鎖緊盤裝配模型并模擬了裝配過程，分析了裝配間隙對風電鎖緊盤的各配合面接觸壓力、各組件Mises應力和主軸承載扭矩的影響。結果表明：裝配間隙對各組件的Mises應力分布影響較大;裝配間隙對各配合面接觸壓力有明顯的影響，差值可達50MPa;裝配間隙在設計時需要合理考慮并提高實際加工精度，否則可能會導致風電鎖緊盤失效。

關鍵詞：裝配間隙;配合面;風電鎖緊盤;有限元分析

引言

過盈聯接是一種以包容件（孔）和被包容件（軸）配合后的過盈來達到緊固聯接的一種聯接方法。裝配后包容件與被包容件的徑向變形使配合面間產生很大的壓力，工作時依靠接觸面之間的摩擦力來傳遞扭矩。這種聯接結構簡單，定心精度好，可承受較大的軸向力與較大的轉矩，當超負荷，接觸面可相對滑動，能起過載保護作用，而且承載能力高，在沖擊，振動載荷下也能可靠性的工作，目前在工程機械中的應用越來越廣泛。

風電鎖緊盤作為大型風力發電機組的鎖緊裝置，其結構主要由內環、外套、螺栓組成。為了便于裝配內環與軸套，軸套與軸表面預留一定間隙，在裝配時通過擰緊內環左端面螺栓，螺栓的軸向力轉化為徑向力，外套和內環形成過盈配合，同時內環與軸套，軸套與軸表面相互壓緊，鎖緊盤組件之間產生摩擦力，以傳遞額定扭矩，達到聯接組件的作用。

1理論模型

1.1風電鎖緊盤簡介

風電鎖緊盤是應用在風電機組中聯接葉片主軸與齒輪箱的鎖緊裝置，其結構。通過擰緊螺栓，內外環發生相對軸向移動，使各個接觸面間形成過盈配合。利用過盈配合的接觸面間形成的壓力和摩擦力達到傳遞扭矩或軸向力的目的。

1.2主要設計計算公式

1.2.1“由里到外”計算方法主要公式

計算主軸與軸套接觸面間的最小壓強Pmin1：T為主軸傳遞的扭矩（kNm）;Fa為主軸傳遞的軸向力（kN）;μ1為接觸面摩擦系數;d為主軸與軸套接觸面直徑（mm）;l為主軸與軸套接觸面長度（mm）.

計算軸套與內環、內環與外環接觸面間的壓強：

XE（d-d）

（2）2d2d，P2為組合筒消除間隙所需要的外壓強（MPa）;P1為組合筒內所需要接觸壓強（MPa）;X

為組合筒內間隙（mm）;Ea為外筒彈性模量（MPa）;d2為結合面直徑（mm）;d3為外筒直徑（mm）.

計算各個接觸面間的過盈量：

δ=Pd2（+）

式（3）中，δ為結合面的總過盈量（mm）;P為結合面壓強（MPa）;Ei為內筒的彈性模量（MPa）;Ea為外筒的彈性模量（MPa）;Ca=1+（）21+（）2

1-（）2-vi;va為外筒的泊松比;vi為內筒的泊松比;d1為組合筒內直徑（mm）;d2為結合面直徑（mm）;d3為組合筒外直徑（mm）.

1.2.2按螺栓擰緊力計算方法主要公式

通過擰緊螺栓力，計算內外環長圓錐面間形成的壓強：

P3=πdLlL（CLlL+CSlS）（sinβ+μcosβ）

式（4）中，CL=CaL+CiL;CS=CaS+CiS;CaL為長圓錐面的系數Ca;CiL為長圓錐面的系數Ci;Fa為全部螺栓的擰緊力（kN）;lL為長圓錐面軸向長度（mm）;lS為短圓錐面軸向長度（mm）;μ為接觸面摩擦系數;β為圓錐面傾角。

2有限元模型

本文采用ABAQUS6.10進行有限元分析，對于軸對稱件分析，基于結構和載荷的特點，為簡化計算量，按照軸對稱問題來建模，將實體模型簡化。

模型單元為CAX4R，接觸算法采用罰函數法。外套、內環和主軸材料的彈性模量為210GPa，軸套材料的彈性模量為180GPa，各組件材料的泊松比均為0.3.考慮工況，內環右端軸向施加約束，軸套左端和主軸右端施加固定約束。外套、軸套和主軸的網格尺寸依次為2mm，內環為1mm.各接觸對定義為有限滑動，外套與內環配合面摩擦系數設定為0.09（涂有二硫化鉬潤滑脂），內環與軸套配合面、軸套與主軸配合面的摩擦系數設定為0.15.最小間隙尺寸裝配時，外套向內環移動的裝配行程為27.5mm。

3結果及分析

3.1vonMises應力

風電鎖緊盤在使用過程中需要多次拆裝以對其進行維護，保證各組件不發生塑性變形對其工作性能具有重要影響。對于圓筒無論是其外側和內側受壓力作用，最大應力總是發生在圓筒的內側。因此，文中選取圓筒內壁軸向的節點分析各組件的vonMises應力。

3.2接觸壓力

接觸壓力對風電鎖緊盤的性能具有重要影響。加工偏差直接影響外環與內環配合面的過盈量，從而影響各配合面接觸壓力的大小和分布。分別為內環、軸套和主軸的外表面接觸壓力。

3.3承載轉矩

承載轉矩是衡量風電鎖緊盤性能的主要參數，其與接觸壓力、摩擦因數、配合面長度及主軸直徑有關。計算公式為：

M=μPπd2l式中：d——主軸直徑;

μ——軸套與主軸配合面摩擦因數;

P——軸套與主軸配合面接觸壓力;

l——軸套與主軸配合面軸向長度。

將軸套與主軸配合面接觸壓力曲線積分，結合式（1）即可求出風電鎖緊盤的承載轉矩M。

4結束語

在現有風電鎖緊盤設計計算方法的基礎之上，通過Fortran與VB混合編程，完成了風電鎖緊盤設計計算的軟件開發。通過風電鎖緊盤設計計算軟件，可以高效、準確的設計不同型號的風電鎖緊盤。

采用ABAQUS軟件對各加工偏差模型的裝配進行模擬，深入研究了不同類型的加工偏差對應力、接觸壓力和承載轉矩的影響。經分析得到以下結論：

（1）加工偏差對風電鎖緊盤的承載轉矩影響較小，與設計尺寸承載轉矩的相對誤差小于5%;

（2）加工偏差對應力和接觸壓力影響明顯，尤其在內環和軸套的應力轉折處，vonMises應力的最大值和最小值差值達到100MPa;

參考文獻

[1]王建梅，陶德峰，黃慶學.多層圓筒過盈配合的接觸壓力與過盈量算法研究[J].工程力學，2013，30（9）：270-275.

[2]王建梅，康建峰，陶德峰.多層過盈連接的設計方法[J].四川大學學報，2013，45（4）：84-89.