装配间隙对风电锁紧盘性能的影响分析

褚波

摘要：针对风电锁紧盘装配时各组件配合面存在间隙的状况提出四种装配间隙模型，采用有限元分析软件ABAQUS建立了风电锁紧盘装配模型并模拟了装配过程，分析了装配间隙对风电锁紧盘的各配合面接触压力、各组件Mises应力和主轴承载扭矩的影响。结果表明：装配间隙对各组件的Mises应力分布影响较大;装配间隙对各配合面接触压力有明显的影响，差值可达50MPa;装配间隙在设计时需要合理考虑并提高实际加工精度，否则可能会导致风电锁紧盘失效。

关键词：装配间隙;配合面;风电锁紧盘;有限元分析

引言

过盈联接是一种以包容件（孔）和被包容件（轴）配合后的过盈来达到紧固联接的一种联接方法。装配后包容件与被包容件的径向变形使配合面间产生很大的压力，工作时依靠接触面之间的摩擦力来传递扭矩。这种联接结构简单，定心精度好，可承受较大的轴向力与较大的转矩，当超负荷，接触面可相对滑动，能起过载保护作用，而且承载能力高，在冲击，振动载荷下也能可靠性的工作，目前在工程机械中的应用越来越广泛。

风电锁紧盘作为大型风力发电机组的锁紧装置，其结构主要由内环、外套、螺栓组成。为了便于装配内环与轴套，轴套与轴表面预留一定间隙，在装配时通过拧紧内环左端面螺栓，螺栓的轴向力转化为径向力，外套和内环形成过盈配合，同时内环与轴套，轴套与轴表面相互压紧，锁紧盘组件之间产生摩擦力，以传递额定扭矩，达到联接组件的作用。

1理论模型

1.1风电锁紧盘简介

风电锁紧盘是应用在风电机组中联接叶片主轴与齿轮箱的锁紧装置，其结构。通过拧紧螺栓，内外环发生相对轴向移动，使各个接触面间形成过盈配合。利用过盈配合的接触面间形成的压力和摩擦力达到传递扭矩或轴向力的目的。

1.2主要设计计算公式

1.2.1“由里到外”计算方法主要公式

计算主轴与轴套接触面间的最小压强Pmin1：T为主轴传递的扭矩（kNm）;Fa为主轴传递的轴向力（kN）;μ1为接触面摩擦系数;d为主轴与轴套接触面直径（mm）;l为主轴与轴套接触面长度（mm）.

计算轴套与内环、内环与外环接触面间的压强：

XE（d-d）

（2）2d2d，P2为组合筒消除间隙所需要的外压强（MPa）;P1为组合筒内所需要接触压强（MPa）;X

为组合筒内间隙（mm）;Ea为外筒弹性模量（MPa）;d2为结合面直径（mm）;d3为外筒直径（mm）.

计算各个接触面间的过盈量：

δ=Pd2（+）

式（3）中，δ为结合面的总过盈量（mm）;P为结合面压强（MPa）;Ei为内筒的弹性模量（MPa）;Ea为外筒的弹性模量（MPa）;Ca=1+（）21+（）2

1-（）2-vi;va为外筒的泊松比;vi为内筒的泊松比;d1为组合筒内直径（mm）;d2为结合面直径（mm）;d3为组合筒外直径（mm）.

1.2.2按螺栓拧紧力计算方法主要公式

通过拧紧螺栓力，计算内外环长圆锥面间形成的压强：

P3=πdLlL（CLlL+CSlS）（sinβ+μcosβ）

式（4）中，CL=CaL+CiL;CS=CaS+CiS;CaL为长圆锥面的系数Ca;CiL为长圆锥面的系数Ci;Fa为全部螺栓的拧紧力（kN）;lL为长圆锥面轴向长度（mm）;lS为短圆锥面轴向长度（mm）;μ为接触面摩擦系数;β为圆锥面倾角。

2有限元模型

本文采用ABAQUS6.10进行有限元分析，对于轴对称件分析，基于结构和载荷的特点，为简化计算量，按照轴对称问题来建模，将实体模型简化。

模型单元为CAX4R，接触算法采用罚函数法。外套、内环和主轴材料的弹性模量为210GPa，轴套材料的弹性模量為180GPa，各组件材料的泊松比均为0.3.考虑工况，内环右端轴向施加约束，轴套左端和主轴右端施加固定约束。外套、轴套和主轴的网格尺寸依次为2mm，内环为1mm.各接触对定义为有限滑动，外套与内环配合面摩擦系数设定为0.09（涂有二硫化钼润滑脂），内环与轴套配合面、轴套与主轴配合面的摩擦系数设定为0.15.最小间隙尺寸装配时，外套向内环移动的装配行程为27.5mm。

3结果及分析

3.1vonMises应力

风电锁紧盘在使用过程中需要多次拆装以对其进行维护，保证各组件不发生塑性变形对其工作性能具有重要影响。对于圆筒无论是其外侧和内侧受压力作用，最大应力总是发生在圆筒的内侧。因此，文中选取圆筒内壁轴向的节点分析各组件的vonMises应力。

3.2接触压力

接触压力对风电锁紧盘的性能具有重要影响。加工偏差直接影响外环与内环配合面的过盈量，从而影响各配合面接触压力的大小和分布。分别为内环、轴套和主轴的外表面接触压力。

3.3承载转矩

承载转矩是衡量风电锁紧盘性能的主要参数，其与接触压力、摩擦因数、配合面长度及主轴直径有关。计算公式为：

M=μPπd2l式中：d——主轴直径;

μ——轴套与主轴配合面摩擦因数;

P——轴套与主轴配合面接触压力;

l——轴套与主轴配合面轴向长度。

将轴套与主轴配合面接触压力曲线积分，结合式（1）即可求出风电锁紧盘的承载转矩M。

4结束语

在现有风电锁紧盘设计计算方法的基础之上，通过Fortran与VB混合编程，完成了风电锁紧盘设计计算的软件开发。通过风电锁紧盘设计计算软件，可以高效、准确的设计不同型号的风电锁紧盘。

采用ABAQUS软件对各加工偏差模型的装配进行模拟，深入研究了不同类型的加工偏差对应力、接触压力和承载转矩的影响。经分析得到以下结论：

（1）加工偏差对风电锁紧盘的承载转矩影响较小，与设计尺寸承载转矩的相对误差小于5%;

（2）加工偏差对应力和接触压力影响明显，尤其在内环和轴套的应力转折处，vonMises应力的最大值和最小值差值达到100MPa;

参考文献

[1]王建梅，陶德峰，黄庆学.多层圆筒过盈配合的接触压力与过盈量算法研究[J].工程力学，2013，30（9）：270-275.

[2]王建梅，康建峰，陶德峰.多层过盈连接的设计方法[J].四川大学学报，2013，45（4）：84-89.