ＭＷ 级风力发电机轮毂与主轴连接螺栓强度分析
2017-3-22 来源：许昌许继风电科技有限公司 作者：晁贯良，苏凤宇，周胜，董姝言，齐涛，何海
摘要：针对 ＭＷ 级风力发电机轮毂与主轴连接螺栓强度设计问题，运用有限元软件 ＡＮＳＹＳ建立轮毂与主轴连接螺栓仿真模型；通过对轮毂与主轴连接螺栓的受力分析、螺栓有限元模拟方法的研究，基于ＧＬ规范，分别利用有限元方法和工程计算，对该连接螺栓进行了强度分析和接触面滑移分析。研究结果表明，螺栓强度和滑移面剪切力满足设计要求。该研究为风机轮毂与主轴连接螺栓强度校核提供了参考。
关键词：轮毂；主轴；螺栓；风轮坐标系
０.引言
轮毂与主轴连 接螺栓是风力发电机组最重要的连接螺栓之一，其安全性决定了整个风机的安全性。由于风轮在正常工作状态下是转动的，连接轮毂与主轴的螺栓要承受动态载荷，极易发生疲劳破坏。因此，为了提高风力发电机的安全性，必 须 对轮毂与主轴连接螺栓进行极限及疲劳强度分析［１－３］。目前，涉及风力发电机螺栓连接的标准主要有ＧＬ规范，ＶＤＩ２２３０以及 ＥＮ１９９３３－１－９［４－５］。在此，根据 ＧＬ 规范和 ＥＮ１９９３３－１－９标准，借助 ＡＮＳＹＳ 有限元软件对该连接螺栓进行强度分析，并采用工程算法对该连接接触面进行滑移分析。
１.受力分析
轮毂与主轴连接螺栓剖面视图如图１所示。其中，外圈为轮毂、主轴与风轮盘连接螺栓，内圈为轮毂与主轴连接螺栓。轮 毂与主轴 连 接螺栓受到的载荷包括轴向载荷、弯矩和转矩，其中，倾覆力 矩Ｍｙｚ 和轴向力Ｆｘ产生的变形主要由螺栓承受；转矩Ｍｘ 和径向力Ｆｙｚ产生的剪切力，主要由预紧后轮毂与主轴接合面产生的摩擦力来抵抗。因此，对于螺栓连接强度分析来说，除对螺栓进行强度分析之外，接触面是否发生滑移也要进行分析。
图１ 轮毂主轴连接螺栓剖视图
２.螺栓属性
该连接内外圈螺栓均为１０．９级双头螺柱，其屈服强度为９４０ＭＰａ，采用液压上紧方式，分散系数为±９％，螺栓的相关参数如表１所示。
表１ 螺栓参数
３.极限强度分析
螺栓极限强度分析需要考虑预紧力、外部载荷以及拧紧残余应力。其中，螺栓预紧力及外部载荷在有限元中直接施加，而风力发电机轮毂与主轴连接螺栓拧紧方式采用无摩擦拧紧，不产生残余剪切应力，因此该连接螺栓极限计算时残余剪切应力不再考虑。
３．１模型的简化与建立
轮毂与主轴螺栓连接分析模型包括轮毂、螺栓、垫片及主轴假体，为简化模型提高网格质量，删除模型中小的倒角、凸台等对结构刚度影响不大的几何特征。整个有限元模型如图２所示。模型中轮毂、垫片及主轴假体均采用实体建模，其中，轮毂、主轴网格均为 Ｓｏｌｉｄ１８７ 单元，垫片网格为Ｓｏｌｉｄ４５单元，螺栓采用 ｂｅａｍ１８８单元模拟，螺栓两端采用载荷伞的形式分别模拟与垫片及螺纹孔连接。整个有限元模型节点数为２４９ ６５３，单元数为１５０ ６７５。根据实际装配关系，建立如表２所示的接触关系，其中，摩擦系数为０．２。
图２ 轮毂与主轴连接螺栓有限元模型
表２ 接触关系
注：两部件无接触用 － 表示；同一部件用 ／ 表示
３．２材料及边界条件
模型中轮毂为球墨铸铁铸，螺栓、垫片及主轴材料为结构钢，其材料属性如表３所示。风力发电机不同工况下，主轴与轮毂之 间 均无相对移动，将主轴假体末端节点视为固定约束，约束该位置节点Ｘ、Ｙ、Ｚ 方向的自由度，以消除接触有限元分析时的刚度位移。建立一个 ＭＰＣ 联接轮毂叶根法兰表面节点和中心点，将叶根中心的极限载荷施加到控制点上，用以模拟载荷传递［６］。
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