装配间隙对风电锁紧盘性能的影响分析

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中图分类号：TK83；TH131.7 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2013.02.010过盈联接是-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-种联接方法 J。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，当超负荷时，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(如图1) j。为了便于装配，内环与轴套，轴套与轴表面预留-定间隙，在装配时通过鹏内环左端面螺栓，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 装配间隙在设计风电锁紧盘时除了设计外套与内环配合收稿 日期：2012·10-22基金项目：国家自然科学基金(51205269)；山西侍育厅留学归国项目(20121003)；山西省大学生创新项目(s2010002)作者简介：唐亮(1987-)，男，硕士研究生，主要研究方向为现代轧制设备设计理论研究；通讯作者：王建梅，女，教授，E.mailwj。mhdb### 163.COI1(School of Mechanical Engineering of Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)Abstract：This article analyzed the motion characteristic of job roler，the process of work force and the motion ofimpact block on the basis of the existent patent.The roller split-type wheel of the composite roller of impacting andvibration were designed and calculated，then the main technical parameter of model machine were got.The resultsof analysis and calculation can provide theoretical basis and reference for further dynamics analysis and compactioneffect analysis of the impact wheel and the design of whole roller machine。

Key words：composite roller of impact and vibration，the roHer split.type wheel，technical parametersl26 太 原 科 技 大 学 学 报 2013钲图1 风电锁紧盘结构示意图Fig.1 Structure of wind turbine S shank disk面过盈量，还需要设计轴与轴套、轴套与内环配合面的间隙以便装配。由于实际加工偏差的存在，各接触面装配间隙存在最大与最袖隙的配合情况，装配间隙对接触压力会有显著影响，从而影响风电锁紧盘的工作性能。在实际情况中，采用理论计算方法研究装配间隙的影响较为不便，以实验手段评估装配间隙对锁紧盘的影响难以实现，采用有限元模拟的方法可以有效全面地进行分析。本文以某号的锁紧盘尺寸建模计算，提取各组件的Mises应力和组件之间接触面的压力，对实际结构的设计有- 定的借鉴意义。

风电锁紧盘装配时，外套与内环长圆锥面起主要过盈量联接作用，长圆锥面的配合面对于主轴与轴套配合面的接触压力具有重要影响，本文主要以长圆锥面的配合进行分析。分析时设定内环与外套配合面的最大过盈为定值，装配间隙根据各配合面的间隙状况提出四种加工模型，见表 1.模型 1为各配合面最袖隙；模型4为各配合面最大间隙；模型2为主轴与轴套配合面为最袖隙，内环与轴套为最大间隙；模型3为主轴与轴套配合面为最大间隙，内环与轴套为最袖隙。表中各组件配合面的装配间隙的选取由机械设计手册查得。

表 1 装配间隙参数Tab。1 Paramers of assembly clearance模型 主轴与轴套 内环与轴套模型 1 0.022 O.08模型 2 0.O22 O.24模型3 0.136 0.08模型 4 0.136 O.242 有限元模型本文采用 ABAQUS6.10进行有限元分析，模型如图 1所示，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 ]。

外套、内环和主轴材料的弹性模量为210 GPa，轴套材料的弹性模量为 180 GPa，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 引。外套、轴套和主轴的网格尺寸依次为2 rain，内环为 1 mm.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0.151].最袖隙尺寸装配时，外套向内环移动的装配行程为27.5 n3rfl7 .模型尺寸参数、网格划分分别如表2和图2所示。

表 2 模型参数Tab.2 Model paramers 尺寸 d1 吐 l3 Z3s数值/mm 12O 560 70o 1 140 218 52图2 风电锁紧盘的网格划分Fig.2 The mhing of wind turbine S shank disk3 结果讨论3.1 Mises应力对于圆筒，无论其外侧和内侧如何受力，最大应力总是发生在圆筒内侧 。因此，本文选取圆筒第 34卷第 2期 唐 亮，等：装配间隙对风电锁紧盘性能的影响分析 127内侧轴向方向的节点分析各组件的Mises应力。

图3-图6分别为主轴、轴套、内环、外套的 Mi-ses应力分析结果。各图中的四个模型 Mises应力随轴向节点方向变化趋势都基本相同。而对比某- 轴向节点上四个模型Mises应力有如下结果：350日 300b 250200善b150100- 50 O 5O l00 t50 200 250 300 350 400轴向距离L/mm图3 主轴内径 Mises应力Fig.3 Mises stress of main shaft- 50 0 50 100 150 200 250 300 350 400轴向距离L/mm图4 轴套内径 IvIises应力Fig.4 M ises stress of sleeve图3中，某-轴向节点上模型 1(各接触面为最袖隙)至模型 4(各接触面为最大间隙)的 Mises应力逐渐降低，而图3最大与最小差值为 150 MPa左右；图6与图3分布规律相同，最大与最小差值为 100 MPa左右。由此可知，主轴、外套的 Mises应力与装配间隙成反比。

图4与图5的某-轴向节点上各模型 Mises应力分布没有以上的规律，图4中的两端某-轴向节点上各模型的Mises应力基本相同，中间相差较大，最大与最小差值为50 MPa.图5中左端某-轴向节点上的Mises应力相差较小，而右端Mises应力相差皇200b1o0800b7000 50 10o 150 200 250 300轴向距离L/mm图5 内环内径 l[ises应力Fig.5 Mises stress of inner ring0 50 loo l5U 20U轴向距离L/mm图 6 外套内径 Mises应力Fig.6 M ises stress of outer ring较大，最大与最小差值为 100 MPa。

3.2 接触压力风电锁紧盘在装配时，外套向内环方向移动，各接触面过盈配合，从而产生接触压力∮触压力是风电锁紧盘重要参数，若接触压力不能满足设计值可能会在配合面产生滑移，所以接触压力是决定风电锁紧盘工作性能的重要影响因素。

图7-图9分别为主轴与轴套、轴套与内环、内环与外套长圆锥面配合面的接触压力分析结果。

各图中的四个模型接触压力随轴向节点方向变化趋势都基本相同。而对比某-轴向节点上四个模型接触压力有如下结果：图7中，某-轴向节点上模型1(各接触面为最袖隙)至模型4(各接触面为最大间隙)的接触压力逐渐降低，最大与最小差值为25 MPa左右。图8128 太 原 科 技 大 学 学 报 2013年250日200b1501005050 100 150 200 250 300 350 400轴向距离L/mm图7 主轴与轴套配合面接触压力Fig.7 Contact pressure of fitting surface betweensleeve and main shaft日300皇b倒 200100100 150 2O0 250 3O0 350轴向距离/./ram图8 轴套与内环配合面接触压力Fig.8 Contact pressure of fitting surface betweensleeve an d inner ring罢b轴向距离L/ram图9 内环与外套长圆锥面接触压力Fig.9 Contact pressure of fiting long tapered surfacebetween outer ring and inner ring 与图7分布规律相同，最大最小差值也相同。由此可知，主轴与轴套、轴套与内环配合面接触压力与装配间隙成反比。

在图9中，左端某-轴向节点上模型 1至模型4的接触压力逐渐升高，最大与最小差值为 100MPa左右。由此可知，各接触面的装配间隙与接触压力成反比。右端某-轴向节点上模型 1至模型4的接触压力逐渐降低，最大与最小差值为 100 MPa左右。由此可知，内环与外套长圆锥面配合面左端的接触压力与装配问隙成正比，右端的接触压力与装配间隙成反比。

3.3 承载扭矩分析衡量风电锁紧盘主要性能的指标是其装配完成后主轴与轴套所能承载的扭矩。若承载扭矩不能满足额定扭矩则会影响风电锁紧盘工作性能。

承载扭矩 是将轴套与主轴配合面接触压力积分并结合式(1)求得：M ： (1)式中： -- 轴套与主轴配合面的摩擦系数；P -- 轴套与主轴配合面接触压力；f -- 轴套与主轴配合面轴向长度。

表 3 各模型承载扭矩对比Tab.3 Load torque contrast of each model模型 扭矩/(kN·m)模型 1 4 345.72模型2 4 072.68模型3 3 871.75模型4 3 688.48由表3可知，装配间隙与承载扭矩成反 比，模型 1与模型 4传递的扭矩相差较大，差值达到了657.24 kN ·m。

4 结论本文提出了四种装配间隙模型，通过有限元方法分析了装配间隙对风电锁紧盘Mises应力、接触压力以及承载扭矩的影响。通过有限元模拟可知：由于装配间隙的不同，风电锁紧盘的Mises应力最大与最猩相差 100 MPa，接触压力最大与最猩相差50 MPa，承载扭矩最大与最猩相差 657.24kN ·m。

可见，装配间隙对 Mises应力、接触压力和承载第34卷第2期 唐 亮，等：装配间隙对风电锁紧盘性能的影响分析 129扭矩影响显著，其中接触压力和承载扭矩是风电锁紧盘的重要参数，会极大的影响风电锁紧盘的工作