鎖緊盤外環螺紋連接加載位置的有限元分析

楊 健，王建梅，張婉茹，耿陽波

(太原科技大學 重型機械教育部工程研究中心， 山西 太原 030024)

0 前言

隨著中國經濟發展，能源問題日益突出。建設環境友好型社會，建立具有中國特色的“綠水青山”型經濟發展模式要求進一步發展清潔能源。我國有豐富的風能儲備，截至2017年底，累計裝機容量2790MWh，為進一步開發利用風能，必須大力發展風力發電設備。

鎖緊盤廣泛應用于兆瓦級風力發電機組的主傳動鏈。鎖緊盤主要應用過盈連接原理，國內外專家在這個方面進行了大量的研究。J. Mather[1]計算了過盈聯接的應力分布，并通過三維光彈數據得到了驗證，為鎖緊盤的理論設計及應用打下了基礎。王建梅[2-6]基于過盈聯接的計算方法，發明了四種風電鎖緊盤的設計計算方法，形成了一套鎖緊盤的設計方法與理論，并應用數值模擬等方法進行了不同方法的對比研究，開發了風電鎖緊盤的應用程序，基于鎖緊盤設計理論建立了考慮溫度、轉動的N層過盈連接設計理論。Pedersen P[7]從應力基礎理論公式出發推導過盈聯接的徑向和軸向應力，并給出了應力分布示意圖。滕瑞靜等[8]充分考慮了影響過盈聯接接觸應力的四個主要因素：包容件外徑、過盈量、結合直徑和寬度，通過ABAQUS得到過盈層邊緣的最大等效應力，構建了神經網絡應力預測模型。殷丹華[9]在彈性力學的基礎上，針對圓柱和圓錐過盈聯接的應力計算方法進行了探究，推導了承載扭矩和接觸壓力、摩擦系數等參數之間的關系。

實際應用中，風力發電機艙室內空間狹小，因此鎖緊盤加載方式通常采用螺栓加載減小軸向尺寸。目前，鎖緊盤設計缺乏對外環螺紋的承載位置與服役性能的相關分析。本文運用有限元分析軟件，以螺紋加載的兩個極端位置為研究對象，建立有限元分析模型，以某型號鎖緊盤外環為例，對比螺紋極端承載位置下外環的力學特性，得到螺紋承載區遠離前端面具有更小的最大等效應力和更均勻的接觸應力。

1 鎖緊盤工作原理

如圖1所示為單錐鎖緊盤結構示意圖，鎖緊盤由外環、內環、螺栓、軸套組成。在未扭緊螺栓前，外環與內環、內環與軸套、軸套與軸處于貼合但無作用狀態，通過扭緊螺栓，使外環與內環的對應錐面處于過盈狀態，隨著螺栓進一步扭緊，內環與軸套、軸套與軸最終處于過盈狀態，產生徑向力，進而產生摩擦力傳遞扭矩或力。

圖1 鎖緊盤結構示意圖

2 有限元仿真分析

外環是鎖緊盤加載的主要部件，若外環端面的法線方向與外環相對內環的移動方向相同，則稱該端面為外環的前端面；若外環端面的法線方向與外環相對內環的移動方向相反，則稱該端面為外環的后端面。為研究外環螺紋承載位置對鎖緊盤加載性能的影響，取螺紋承載的兩極限位置，即螺紋承載位置分別位于外環的前端面與后端面的情況，進行了有限元分析。針對某型鎖緊盤的外環結構，基于Workbench仿真軟件建立有限元分析模型，將外環受載直至停止的運動過程，抽象為一個帶內錐面的圓環在端面位移載荷的作用下，沿貼合的粗糙剛性錐面移動一段距離。外環材料設置為結構鋼，材料楊氏模量20 000 MPa，泊松比0.3，錐形接觸面的摩擦系數設置為0.15。位移載荷分別設置為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm，并依此進行仿真試驗同時輸出節點數據。如表1所示為外環的幾何尺寸。

表1 外環幾何尺寸參數

依據表1幾何尺寸，建立鎖緊盤外環幾何模型，如圖2所示。為簡化模型，便于分析計算，將粗糙的剛性錐面模擬成一個空心圓臺，該模型的外錐面與外環模型的內錐面緊密貼合。

圖2 鎖緊盤外環幾何模型

圖3所示為作用在外環后端面的位移載荷的施加方式；圖4所示為作用在外環前端面的位移載荷的施加方式。

圖3 后端面載荷施加方式

圖4 前端面載荷施加方式

通過有限元仿真分析，得到Von-Mises等效應力云圖，進一步得到外環的危險截面與危險點。圖5所示為外環前端面在位移載荷為5 mm時的等效應力云圖；圖6所示為外環后端面在位移載荷為5 mm時的等效應力云圖。

圖5 前端面等效應力云圖

圖6 后端面等效應力云圖

圖5可以看出，前端面受載狀態下危險面是外環的內圓錐接觸面，危險應力出現于外環前端面半徑最小處；圖6可以看出，后端面受載狀態下危險面是外環的內圓錐接觸面，危險應力出現于外環后端面半徑最小處。

以前端面的形心處為原點，建立圓柱坐標系，高度軸沿外環的軸線方向，且與前進方向相反，半徑方向為外環的徑向方向。沿外環軸向截面的內輪廓線輸出單元應力數據，繪制接觸壓力與等效應力圖。

圖7所示為不同位移載荷作用下，兩種受載位置狀態的接觸壓力軸向分布圖。圖7可以看出，對于相同位移載荷，前端面受載與后端面受載狀態的最大接觸應力均出現在接觸面的前端；前端面受載的最大接觸應力小于后端面受載的最大接觸應力；軸線上外環的中部位置處，兩種受載狀態的接觸應力相對平穩，前端面受載狀態的的接觸應力低于后端面受載狀態的接觸應力；在接觸的后端位置處，前端面受載狀態的接觸應力逐漸減小，后端面受載狀態的接觸應力趨于平穩；后端面受載狀態的接觸壓力分布更均勻，但端部接觸壓力值更大。

圖7 接觸壓力軸向分布

圖8所示為不同的位移載荷作用下，兩種受載位置狀態的等效應力在接觸面上的軸向分布圖。圖8可以看出，在接觸面中部與后端位置處，前端面受載狀態與后端面受載狀態的等效應力在軸線方向分布平緩；前端面受載狀態的等效應力在前端面出現應力集中現象，后端面受載狀態的等效應力在前端面未出現明顯應力集中；與前端面受載狀態比較，后端面受載狀態的等效應力在接觸面上分布更均勻，最大等效應力值更小。

圖8 接觸面等效應力軸向分布

圖9所示為不同推進行程的兩種受載位置狀態的平均接觸應力的軸向分布圖。圖9可以看出，前端面受載狀態與后端面受載狀態的平均接觸應力，隨位移載荷的增加而增加，前端面受載狀態平均接觸應力比后端面受載的平均接觸應力小2%。

圖9 平均接觸應力軸向分布

圖10所示為不同推進行程的兩種受載位置狀態的最大等效應力在接觸面上的軸向分布圖。圖10可以看出，前端面受載狀態與后端面受載狀態的最大等效應力，隨位移載荷的增加而增加，前端面受載狀態的最大等效應力比后端面受載的最大等效應力大26%。

圖10 接觸面最大等效應力軸向分布

3 結論

(1)外環危險面為內錐接觸面，外環螺紋受載區的軸向位置會與危險點的軸向位置存在同一性，前端面受載危險點位于前端面，后端面受載危險點位于后端面。

(2)在平均接觸應力相似的情況下，外環后端面受載狀態比前端面受載狀態具有更均勻的等效應力分布、更小的最大等效應力。說明相同結構尺寸與傳動能力下，后端面受載較前端面承載具有更高的工作可靠性。

(3)在平均接觸應力相似的情況下，外環后端面受載狀態比前端面受載狀態具有更均勻的接觸應力分布，但在前端部有更大的接觸應力。說明相同結構尺寸與傳動能力下，后端面受載較前端面承載更可能出現“抱軸”等現象。

當前鎖緊盤外環設計未考慮螺紋實際承載的軸向位置對服役性能的影響，本文通過仿真探究得到了將外環螺紋受載位置靠近后端面，具有更安全的服役特性，為鎖緊盤結構輕量化、綠色化設計思路提供指導與建議。