风机偏航轴承连接螺栓极限强度和疲劳强度的计算方法

摘要

本发明涉及风机偏航轴承连接螺栓极限强度和疲劳强度的计算方法，利用有限元软件，对螺栓涉及的载荷传递路径上的设备的三维几何模型分别进行网格划分和装配，建立有限元模型，以实现载荷传递路径完整且与实际相符，上述载荷传递路径上的设备至少包括：齿轮箱箱体、主机架、塔筒、偏航轴承、偏航轴承连接螺栓。对模型施加不同工况的极限载荷，将模型提交给有限元分析软件进行求解，得到风机偏航轴承连接螺栓的极限强度和疲劳强度。该方法实现了完整的载荷传递路径，增强了螺栓安全系数的准确性，提高了风电机组运行的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及风机偏航轴承与主机架和塔顶法兰连接螺栓的计算方法，属于 涉及风电机组大型结构螺栓强度性能的分析方法。

背景技术

偏航轴承是风电机组的重要部件之一，当外部风况发生变化时，电机会通 过偏航轴承带动机舱实施偏航。因此，偏航轴承的连接螺栓是风电机组最重要 的连接螺栓，它的强度性能的准确性决定了整个风电机组的安全性。

在关于偏航轴承连接螺栓的安全性能评价的现有技术中，一些常规的工程 计算方法很难达到实际工程需要的精度。因此采用有限元分析法可以通过建立 有限元模型，计算出精确的结构应力，并得到可靠性高的强度性能。但是，现 有的有限元模型结构较为简单，各个部件间力矩的传递考虑不全面，建立的载 荷传递路径不完整，导致模型刚度与实际刚度出现差异，出现偏航轴承螺栓的 强度性能和实际不符的情况。

目前，关于对偏航轴承连接螺栓强度性能的研究，如《轴承》2010年第5 期发表《偏航轴承寿命及螺栓强度校核实例》的文章中，介绍了对偏航轴承连 接螺栓强度性能的计算方法，该方法也是利用有限元构造模型。建立有限元模 型且利用模型对机械强度性能等参数分析是现有技术一种常用的技术手段。但 是，该论文的方案模型构造简单，只考虑到风电机舱和塔架对螺栓强度性能的 影响，构造的载荷传递路径不完整，计算螺栓的强度性能也不够准确。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提出了一种风机偏航轴承连接螺栓 极限强度的计算方法，用于解决现有技术关于风机偏航轴承连接螺栓的载荷传 递路径不完整，导致计算强度性能不准确的问题。同时，本发明还提供了一种 风机偏航轴承连接螺栓疲劳强度的计算方法。

一种风机偏航轴承连接螺栓极限强度的计算方法，其包括如下步骤：

步骤(一)、利用有限元软件，对螺栓涉及的载荷传递路径上的设备的三 维几何模型分别进行网格划分和装配，建立有限元模型，以实现载荷传递路径 完整且与实际相符，上述载荷传递路径上的设备至少包括：齿轮箱箱体、主机 架、塔筒、偏航轴承、偏航轴承连接螺栓；

步骤(二)、对模型施加不同工况的极限载荷，将模型提交给有限元分析 软件进行求解，计算螺栓在不同极限载荷工况下各角度的拉应力，根据扭矩产 生的剪切应力提取螺栓最大等效应力，结合螺栓的屈服强度计算螺栓的极限强 度。

进一步的，步骤(一)所述的偏航轴承通过Link10单元来模拟，实现偏航 力矩的传递，关键字设置Link10单元受压不受拉，并对螺栓添加预紧单元。

进一步的，步骤(一)所述载荷传递路径上的设备还包括：刹车盘、刹车 片、塔顶法兰、齿轮箱主轴承、载荷伞、偏航齿轮箱、弹性支承。

进一步的，步骤(一)所述的偏航轴承连接螺栓利用梁单元来模拟，梁单 元的一端与垫片通过载荷伞连接来模拟垫片的压紧作用，另一端与主机架或塔 顶法兰通过载荷伞连接来模拟螺纹作用。

进一步的，步骤(一)所述，其中偏航轴承与主机架和塔顶法兰之间按摩 擦接触处理，其余部件按绑定处理，边界约束条件设置为塔底全约束。

本发明还提供一种风机偏航轴承连接螺栓疲劳强度的计算方法，包括如下 步骤：

步骤(一)、利用有限元软件，对螺栓涉及的载荷传递路径上的设备的三 维几何模型分别进行网格划分和装配，建立有限元模型，以实现载荷传递路径 完整且与实际相符，上述载荷传递路径上的设备至少包括：齿轮箱箱体、主机 架、塔筒、偏航轴承、偏航轴承连接螺栓；

步骤(二)、对模型施加不同工况的疲劳载荷，将模型提交给有限元分析 软件进行求解，计算螺栓在不同疲劳载荷工况下各角度的拉应力，建立螺栓的 载荷-应力关系曲线，结合载荷谱和材料的S-N曲线得到疲劳强度。

进一步的，步骤(一)所述的偏航轴承通过Link10单元来模拟，实现偏航 力矩的传递，通过关键字设置Link10单元受压不受拉，并对螺栓添加预紧单元。

进一步的，步骤(一)所述载荷传递路径上的设备还包括：刹车盘、刹车 片、塔顶法兰、齿轮箱主轴承、载荷伞、偏航齿轮箱、弹性支承。

进一步的，步骤(一)所述的偏航轴承连接螺栓利用梁单元来模拟，梁单 元的一端与垫片通过载荷伞连接来模拟垫片的压紧作用，另一端与主机架或塔 顶法兰通过载荷伞连接来模拟螺纹作用。

进一步的，步骤(一)所述，其中偏航轴承与主机架和塔顶法兰之间按摩 擦接触处理，其余部件按绑定处理，边界约束条件设计为塔底全约束。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

以往建立的偏航轴承连接螺栓模型的结构简单，对于影响偏航轴承螺栓的 强度性能因素考虑不全面，仅考虑将塔顶载荷施加到主机架上，这样做不仅容 易引起应力集中，也不符合载荷的传递路径。本发明增加了偏航轴承和齿轮箱 的模拟方法，将传递载荷通过主轴承传递给齿轮箱，齿轮箱通过弹性支撑传递 给主机架，主机架通过螺栓传递给偏航轴承内圈，偏航轴承内圈传递给外圈， 在传递给塔筒，构成了一个完整的载荷传递路径，使得计算强度性能准确。

对以往偏航力矩的传递主要是通过主机架和偏航轴承内圈的绑定来实现， 或者对此影响因素不给予考虑，计算偏航轴承连接螺栓强度性能的精度不高。 本发明增加了偏航力矩的模拟方法，通过偏航齿轮箱和偏航轴承外圈之间建立 受压不收拉的Link10单元，从而增强了偏航轴承连接螺栓的准确性，提高风 电机组运行的安全性。

本方法对螺栓选择了模拟梁单元，梁单元的一端与垫片通过载荷伞连接来 模拟垫片的压紧作用，另一端与主机架或塔顶法兰通过载荷伞连接来模拟螺纹 作用。这样和实际的偏航轴承螺栓的情况更加相符。

附图说明

图1是本发明实施例所述偏航轴承与主机架和塔顶法兰连接螺栓的计算 方法的计算模型示意图；

图2是本发明实施例所述偏航轴承与主机架和塔顶法兰连接螺栓的计算方 法的偏航轴承与螺栓部分计算模型示意图；

图3是本发明实施例所述偏航轴承与主机架和塔顶法兰连接螺栓的计算方 法的偏航齿轮箱部分计算模型示意图；

图中：1.齿轮箱箱体，2.主机架，3.偏航轴承内圈，4.偏航轴承外圈，5. 刹车盘，6.刹车片，7.塔顶法兰，8.塔筒，9.齿轮箱主轴轴承一,10.齿轮箱主 轴轴承二,11.载荷伞,12.偏航轴承与主机架连接螺栓，13.偏航轴承与塔顶法 兰连接螺栓，14.偏航轴承滚珠,15.偏航齿轮箱，16.Link 10单元，17.Beam 188单元。

具体实施方式

下面结合附图对发明做进一步详细的说明。

风机偏航轴承连接螺栓极限强度计算方法实施例：

1)如图1-3所示，在制图软件(如CAD)上对风机的齿轮箱箱体1、主 机架2、偏航轴承内圈3、偏航轴承外圈4、刹车盘5、刹车片6、塔顶法兰7、 塔筒8、齿轮箱主轴轴承一9、齿轮箱主轴轴承二10、载荷伞11、偏航轴承 与主机架连接螺栓12、偏航轴承与塔顶法兰连接螺栓13、偏航轴承滚珠14、 偏航齿轮箱15、弹性之承建立几何模型，利用有限元软件对上述部件分别采用 实体单元划分网格，并进行装配，建立有限元模型，该模型的载荷传递路径完 整且与实际相符。

其中，齿轮箱体和主机架采用QT350，偏航轴承内圈和外圈、塔顶法兰、 塔筒和齿轮箱主轴轴承采用刚，弹性支撑采用各项异性材料。

2)偏航轴承连接螺栓采用梁单元进行模拟，梁单元的单元实常数根据螺 栓的实际截面尺寸而定，梁单元的一端通过载荷伞连接来模拟垫片的压紧作 用，另一端与主句或塔顶法兰通过载荷伞连接来模拟螺纹的作用，并且对螺栓 添加预紧单元。

3)偏航轴承的内圈和外圈通过Link10单元来模拟，根据偏航轴承的刚度 计算Link10单元的截面属性，并按照滚珠的数目设定单元数目。其中，偏航 力矩通过Link10单元来传递，关键字设定Link10单元只受压不受拉。

4)设置各个部件之间的处理关系。其中，主机架和偏航轴承内圈之间、 塔顶法兰和偏航轴承外圈之间使用摩擦接触，其余部件之间的关系按照绑定处 理。

5)在塔顶中心建立一个节点，该节点与主轴承外圈内径上的节点、塔顶 中心与主轴轴承通过载荷伞连接，在该节点上施加塔顶极限载荷和疲劳载荷。 边界约束条件设定为塔底全约束。

6)风机偏航轴承与主机架和塔顶法兰连接螺栓的极限强度：

根据不同的极限载荷工况，利用有限元分析软件提取各个螺栓的Sdir、 Sbyt、Sbzt三个应力分量，依据力的合成原理得到其拉应力，Sbyt和Sbzt的方 向不确定导致螺栓的总的应力不确定，因此每隔22.5°计算螺栓在该角度下的 应力。依据扭矩产生的剪切应力求得螺栓的等效应力，将螺栓最大的等效应力 和材料屈服强度得到螺栓的极限强度。

作为其他实施方式，在对螺栓涉及其载荷传递路径上的设备的三维几何模 型分别进行网格划分和装配，建立有限元模型时，还可以仅选择齿轮箱箱体、 主机架、塔筒、偏航轴承、偏航轴承连接螺栓，这样选择也能够基本实现载荷 传递路径完整，使得计算强度性能准确。在对螺栓、偏航轴承的内圈和外圈构 建模型时，也可以选择其他模拟单元。

风机偏航轴承连接螺栓疲劳强度计算方法实施例：

关于计算螺栓疲劳强度性能方法的1)至5)步和上述计算螺栓疲劳强度 性能方法1)至5)的步骤相同，区别仅在第6)步。

6)风机偏航轴承与主机架和塔顶法兰连接螺栓的疲劳强度：

根据My或Mx的载荷工况，利用有限元分析软件提取各个螺栓的Sdir、 Sbyt、Sbzt三个应力分量，依据力的合成原理得到其拉应力，每隔22.5°计算 在该角度下的拉应力，构建该螺栓在该工况该角度下的载荷-应力关系曲线， 结合材料S-N曲线和材料安全系数，即可得到螺栓在该工况该角度下的损伤。 根据损伤理论，按照损伤等于1进行等效可以得到螺栓的强度性能，计算螺栓 在所有角度下的强度性能，最小强度性能即为螺栓的疲劳强度。

作为其他实施方式，在对螺栓涉及其载荷传递路径上的设备的三维几何模 型分别进行网格划分和装配，建立有限元模型时，还可以仅选择齿轮箱箱体、 主机架、塔筒、偏航轴承、偏航轴承连接螺栓，这样选择也能够基本实现载荷 传递路径完整，使得计算强度性能准确。在对螺栓、偏航轴承的内圈和外圈构 建模型时，也可以选择其他模拟单元。