锁紧盘外环螺纹连接加载位置的有限元分析

杨 健，王建梅，张婉茹，耿阳波

(太原科技大学 重型机械教育部工程研究中心， 山西 太原 030024)

0 前言

随着中国经济发展，能源问题日益突出。建设环境友好型社会，建立具有中国特色的“绿水青山”型经济发展模式要求进一步发展清洁能源。我国有丰富的风能储备，截至2017年底，累计装机容量2790MWh，为进一步开发利用风能，必须大力发展风力发电设备。

锁紧盘广泛应用于兆瓦级风力发电机组的主传动链。锁紧盘主要应用过盈连接原理，国内外专家在这个方面进行了大量的研究。J. Mather[1]计算了过盈联接的应力分布，并通过三维光弹数据得到了验证，为锁紧盘的理论设计及应用打下了基础。王建梅[2-6]基于过盈联接的计算方法，发明了四种风电锁紧盘的设计计算方法，形成了一套锁紧盘的设计方法与理论，并应用数值模拟等方法进行了不同方法的对比研究，开发了风电锁紧盘的应用程序，基于锁紧盘设计理论建立了考虑温度、转动的N层过盈连接设计理论。Pedersen P[7]从应力基础理论公式出发推导过盈联接的径向和轴向应力，并给出了应力分布示意图。滕瑞静等[8]充分考虑了影响过盈联接接触应力的四个主要因素：包容件外径、过盈量、结合直径和宽度，通过ABAQUS得到过盈层边缘的最大等效应力，构建了神经网络应力预测模型。殷丹华[9]在弹性力学的基础上，针对圆柱和圆锥过盈联接的应力计算方法进行了探究，推导了承载扭矩和接触压力、摩擦系数等参数之间的关系。

实际应用中，风力发电机舱室内空间狭小，因此锁紧盘加载方式通常采用螺栓加载减小轴向尺寸。目前，锁紧盘设计缺乏对外环螺纹的承载位置与服役性能的相关分析。本文运用有限元分析软件，以螺纹加载的两个极端位置为研究对象，建立有限元分析模型，以某型号锁紧盘外环为例，对比螺纹极端承载位置下外环的力学特性，得到螺纹承载区远离前端面具有更小的最大等效应力和更均匀的接触应力。

1 锁紧盘工作原理

如图1所示为单锥锁紧盘结构示意图，锁紧盘由外环、内环、螺栓、轴套组成。在未扭紧螺栓前，外环与内环、内环与轴套、轴套与轴处于贴合但无作用状态，通过扭紧螺栓，使外环与内环的对应锥面处于过盈状态，随着螺栓进一步扭紧，内环与轴套、轴套与轴最终处于过盈状态，产生径向力，进而产生摩擦力传递扭矩或力。

图1 锁紧盘结构示意图

2 有限元仿真分析

外环是锁紧盘加载的主要部件，若外环端面的法线方向与外环相对内环的移动方向相同，则称该端面为外环的前端面；若外环端面的法线方向与外环相对内环的移动方向相反，则称该端面为外环的后端面。为研究外环螺纹承载位置对锁紧盘加载性能的影响，取螺纹承载的两极限位置，即螺纹承载位置分别位于外环的前端面与后端面的情况，进行了有限元分析。针对某型锁紧盘的外环结构，基于Workbench仿真软件建立有限元分析模型，将外环受载直至停止的运动过程，抽象为一个带内锥面的圆环在端面位移载荷的作用下，沿贴合的粗糙刚性锥面移动一段距离。外环材料设置为结构钢，材料杨氏模量20 000 MPa，泊松比0.3，锥形接触面的摩擦系数设置为0.15。位移载荷分别设置为5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm，并依此进行仿真试验同时输出节点数据。如表1所示为外环的几何尺寸。

表1 外环几何尺寸参数

依据表1几何尺寸，建立锁紧盘外环几何模型，如图2所示。为简化模型，便于分析计算，将粗糙的刚性锥面模拟成一个空心圆台，该模型的外锥面与外环模型的内锥面紧密贴合。

图2 锁紧盘外环几何模型

图3所示为作用在外环后端面的位移载荷的施加方式；图4所示为作用在外环前端面的位移载荷的施加方式。

图3 后端面载荷施加方式

图4 前端面载荷施加方式

通过有限元仿真分析，得到Von-Mises等效应力云图，进一步得到外环的危险截面与危险点。图5所示为外环前端面在位移载荷为5 mm时的等效应力云图；图6所示为外环后端面在位移载荷为5 mm时的等效应力云图。

图5 前端面等效应力云图

图6 后端面等效应力云图

图5可以看出，前端面受载状态下危险面是外环的内圆锥接触面，危险应力出现于外环前端面半径最小处；图6可以看出，后端面受载状态下危险面是外环的内圆锥接触面，危险应力出现于外环后端面半径最小处。

以前端面的形心处为原点，建立圆柱坐标系，高度轴沿外环的轴线方向，且与前进方向相反，半径方向为外环的径向方向。沿外环轴向截面的内轮廓线输出单元应力数据，绘制接触压力与等效应力图。

图7所示为不同位移载荷作用下，两种受载位置状态的接触压力轴向分布图。图7可以看出，对于相同位移载荷，前端面受载与后端面受载状态的最大接触应力均出现在接触面的前端；前端面受载的最大接触应力小于后端面受载的最大接触应力；轴线上外环的中部位置处，两种受载状态的接触应力相对平稳，前端面受载状态的的接触应力低于后端面受载状态的接触应力；在接触的后端位置处，前端面受载状态的接触应力逐渐减小，后端面受载状态的接触应力趋于平稳；后端面受载状态的接触压力分布更均匀，但端部接触压力值更大。

图7 接触压力轴向分布

图8所示为不同的位移载荷作用下，两种受载位置状态的等效应力在接触面上的轴向分布图。图8可以看出，在接触面中部与后端位置处，前端面受载状态与后端面受载状态的等效应力在轴线方向分布平缓；前端面受载状态的等效应力在前端面出现应力集中现象，后端面受载状态的等效应力在前端面未出现明显应力集中；与前端面受载状态比较，后端面受载状态的等效应力在接触面上分布更均匀，最大等效应力值更小。

图8 接触面等效应力轴向分布

图9所示为不同推进行程的两种受载位置状态的平均接触应力的轴向分布图。图9可以看出，前端面受载状态与后端面受载状态的平均接触应力，随位移载荷的增加而增加，前端面受载状态平均接触应力比后端面受载的平均接触应力小2%。

图9 平均接触应力轴向分布

图10所示为不同推进行程的两种受载位置状态的最大等效应力在接触面上的轴向分布图。图10可以看出，前端面受载状态与后端面受载状态的最大等效应力，随位移载荷的增加而增加，前端面受载状态的最大等效应力比后端面受载的最大等效应力大26%。

图10 接触面最大等效应力轴向分布

3 结论

(1)外环危险面为内锥接触面，外环螺纹受载区的轴向位置会与危险点的轴向位置存在同一性，前端面受载危险点位于前端面，后端面受载危险点位于后端面。

(2)在平均接触应力相似的情况下，外环后端面受载状态比前端面受载状态具有更均匀的等效应力分布、更小的最大等效应力。说明相同结构尺寸与传动能力下，后端面受载较前端面承载具有更高的工作可靠性。

(3)在平均接触应力相似的情况下，外环后端面受载状态比前端面受载状态具有更均匀的接触应力分布，但在前端部有更大的接触应力。说明相同结构尺寸与传动能力下，后端面受载较前端面承载更可能出现“抱轴”等现象。

当前锁紧盘外环设计未考虑螺纹实际承载的轴向位置对服役性能的影响，本文通过仿真探究得到了将外环螺纹受载位置靠近后端面，具有更安全的服役特性，为锁紧盘结构轻量化、绿色化设计思路提供指导与建议。