锁紧盘传递扭矩有限元分析计算

锁紧盘传递扭矩有限元分析计算

【摘要】锁紧盘是风力发电机传递扭矩的重要装置，其可靠性直接影响到风力发电机的正常工作，本文的创新点体现在通过利用有限元分析技术，弥补了传统计算公式的不足，计算得出了锁紧盘传递的极限扭矩和锁紧盘装置各零部件的应力分布状态，对实际生产具有重要的指导意义。

【关键词】锁紧盘有限元非线性分析

1 引言

锁紧盘是广泛用于风力发电机机组主轴与齿轮箱联结的装置。它由高强度螺栓预紧时产生的轴向力，使内、外环之间的锥面间相互作用，从而产生径向力，抱紧行星架和主轴，从而传递扭矩。锁紧盘的联接属于过盈连接，由于风电设备对锁紧盘传递扭矩要求严格，必须准确计算出锁紧盘的极限扭矩，才能保证锁紧盘设计的可靠性。锁紧盘传递的最大扭矩传统计算方法有以下两种：

（1）通过螺栓传递的轴向力计算锁紧盘传递扭矩，由于螺纹连接处与内、外环之间的摩擦系数不确定，各螺栓受力不均匀，计算结果准确性低，误差较大。

（2）根据实际过盈，减去各零件配合间隙计算传递扭矩，该方法忽略了外环变形，认为外环是刚体，计算结果存在误差。

本文的创新点在于，通过定义接触关系来建立锁紧盘各部件之间的位移协调变形关系，使得分析过程和实际情况相一致。

2 分析的前处理

分析模型选取装配之后的锁紧盘作为研究对象，此时内、外环之间存在过盈，通过定义接触使得内、外环直接实现力的传递，进而对行星架，主轴产生正压力。分析中接触类型选取带摩擦的接触，表1为前处理中定义的接触对。

表1前处理中的接触对边界条件的处理上，考虑到锁紧盘结构具有对称性，取1/4模型作为分析对象，对称面上施加对称约束，主轴内孔施加圆柱约束，径向存在位移。接触分析属于非线性分析，为了使计算收敛，设置初始迭代步数为10，最大迭代步数为300。

3 分析的后处理

计算完成通过迭代收敛曲线可见，经过多次迭代后非线性分析得到收敛。图1为外环的等效应力图，从图中可知外环最大应力为845MPa，其余大部分锥面的等效应力约为600MPa。图2为外环的变形，通过计算可知外环在装配完成后发生了膨胀，据现场实际测量锁紧盘变形趋势和计算相吻合。

图3为行星架的等效应力，由图可见行星架锁紧盘锁紧状态最大应力为317MPa，行星架材料QT600屈服极限400MPa，可知行星架能满足强度要求。

图4为主轴接触应力，可知锁紧盘对主轴产生最大接触应力245MPa，从计算结果可以看出锁紧盘对主轴产生的接触应力并非是均匀分布的，锁紧盘传递扭矩计算需要得出分布在主轴上的平均接触应力，因此需从Workbench中提取出各单元接触应力大小和各单元面积，从而求得平均接触应力。

4 结语

（1）通过对锁紧盘的有限元分析，可以得出锁紧盘各部件的受力状况，找出各零部件的薄弱环节，在生产加工过程中通过一些方法减少该处的应力分布，比如通过适当的对锁紧盘内、外环根部出的修形。

（2）通过该方法计算得出的锁紧盘扭矩准确性高，能满足风力发电机组的要求。

（3）通过计算可知锁紧盘能否达到扭矩和内、外环之间的摩擦系数有关，因此内、外环之间利用良好的润滑剂可以很好的提高锁紧盘的工作效率。

（4）通过观察主轴上的应力分布云图可知，锁紧盘对主轴的接触应力并非均匀的分布在主轴各处，而传统的计算公式认为主轴上的接触应力是相等的，这样必然会造成计算上的误差。

参考文献：

[1]徐德民.惩罚函数法在接触分析中的应用[J].中华钢结构，2007，08：12-15.

[2]David Rhodes.Do FEA Tools Give The Same Answers[M].United States of America，2011：200-230.

[3]李新华，张小明，陈金亮.基于ANSYS的矿用提升机卷筒应力分析[J].煤矿机械，2011，20（1）：1-2.