风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构及其优化设计方法与流程

本发明涉及风力发电设备技术领域，尤其涉及一种风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构及其优化设计方法。

背景技术：

随着能源消耗日益增长和环境保护的需求增加，可再生新能源开发越来越受重视，其中风力发电是发展最快的新能源之一，风力发电机组设计则成为风能行业至关重要的技术。在带有增速齿轮箱的风电机组中，主轴需要将扭矩传递给增速齿轮箱。二者之间需要采用无间隙的可靠联接方式，通常采用锁紧盘或法兰的方式。锁紧盘通常在较小的兆瓦级风电机组中使用，在5mw以上功率的机组中，为进一步缩短传动链的长度采用法兰的连接方式。目前的法兰联接均为平面法兰联接，传递扭矩主要依靠螺栓预紧力压紧法兰面所能提供的静摩擦力来实现，但随着额定功率的增加和叶片的加长，扭矩往往很大，依靠平面法兰的摩擦力来传递扭矩，需要非常多的螺栓，需要将结构进行放大到一定的程度，而由于主轴直径等空间的限制，螺栓布置成为困难，给机组的大型化带来了限制。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构及其优化设计方法。具体技术方案如下：

第一方面，提供了一种风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构，所述主轴的端部法兰为内径自外向内逐渐减小的内锥结构，所述增速齿轮箱的输入轴端部为与所述内锥结构相适配的锥形结构；所述端部法兰的大径为所述输入轴端部大径的97-99％，所述端部法兰的小径为所述输入轴端部小径的97-99％，所述端部法兰和所述输入轴端部的锥面角度和长度相同；所述输入轴端部插入所述端部法兰后通过螺栓紧固。

第二方面，提供了一种风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构优化设计方法，所述方法包括：

确定主轴和增速齿轮箱的材料、主轴外径、输入轴内径、主轴端部法兰大径和传递扭矩；

初步给定锥面角度，调整锥面角度的给定值直至使结合面的最小压应力小于主轴可承受最大压应力和输入轴可承受最大压应力，且结合面的最小压应力大于主轴最小压应力和输入轴最小压应力，确定锥面角度；

初步给定结合面长度，调整结合面长度的给定值直至使结合面最小压力小于主轴可承受最大压力和输入轴可承受最大压力，且结合面最小压力大于主轴最小压力和输入轴最小压力，确定结合面的长度；

根据端部法兰和输入轴之间的间隙以及结合面长度确定锥面长度；

根据端部法兰的大径、锥面长度和锥面角度确定端部法兰的小径；

根据端部法兰的大径、端部法兰和输出轴之间的间隙以及锥面角度确定输入轴端部大径；

根据输入轴端部大径、锥面长度和锥面角度确定输入轴端部小径。

可选地，利用下述公式，获取结合面最小压应力：

式中，pmin表示结合面最小压应力，t表示传递扭矩，α表示锥面角度，μ表示端部法兰和输入轴之间的摩擦系数，l表示结合面长度，db1表示输入轴端部小径，da2表示端部法兰大径。

可选地，利用下述公式，获取结合面最小压力：

式中，fmin表示结合面最小压力，pmin表示结合面最小压应力，α表示锥面角度，l表示结合面长度，μ表示端部法兰和输入轴之间的摩擦系数，da2表示端部法兰大径。

可选地，利用下述公式，获取输入轴可承受最大压应力：

式中，pbmax表示输入轴可承受最大压应力，da2表示端部法兰大径，l表示结合面长度，α表示锥面角度，db1表示输入轴内径，σb表示输入轴的屈服强度，γb表示输入轴的安全系数。

可选地，利用下述公式，获取输入轴可承受最大压力：

式中，fbmax表示输入轴可承受最大压力，pbmax输入轴可承受最大压应力，α表示锥面角度，l表示结合面长度，μ表示端部法兰和输入轴之间的摩擦系数，da2表示端部法兰大径。

可选地，利用下述公式，获取主轴可承受最大压应力：

式中，pamax表示主轴可承受最大压应力，da1表示主轴外径，da2表示端部法兰大径，σa表示主轴的屈服强度，γa表示主轴的安全系数，α表示锥面角度，db1表示输入轴端部小径。

可选地，利用下述公式，获取主轴可承受最大压力：

式中，famax表示主轴可承受最大压力，pamax表示主轴可承受最大压应力，α表示锥面角度，l表示结合面长度，μ表示端部法兰和输入轴之间的摩擦系数，db1表示输入轴端部小径。

可选地，根据端部法兰的大径、端部法兰和输出轴之间的间隙以及锥面角度，利用下述公式，确定输入轴端部大径：

式中，db2表示输入轴端部大径，da2表示端部法兰的大径，g表示端部法兰和端部法兰和输出轴之间的间隙，α表示锥面角度。

可选地，根据输入轴端部大径、锥面长度和锥面角度，根据下述公式，确定输入轴端部小径：

式中，db1表示输入轴端部小径、db2表示输入轴端部大径、s表示锥面长度，α表示锥面角度。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构及其优化设计方法，通过设置锥形斜面法兰进行连接，主轴端部法兰的尺寸略小于输入轴端部的尺寸，接触面摩擦力较大，紧固时所需螺栓数量降低，降低了安装难度和机组设计难度，提高了机组设计优化效率，保证力矩传递效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例提供的风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构的优化设计方法流程图。

附图标记说明：

1-主轴、2-增速齿轮箱、3-端部法兰、4-输入轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

第一方面，本发明实施例提供了一种风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构，如附图1所示，该连接结构中，主轴1的端部法兰3为内径自外向内逐渐减小的内锥结构，即，以附图1所示的方向为基准，自右向左内径逐渐减小。增速齿轮箱2的输入轴4端部为与内锥结构相适配的锥形结构。端部法兰3的大径为输入轴4端部大径的97-99％，端部法兰3的小径为输入轴4端部小径的97-99％，端部法兰3和输入轴4端部的锥面角度和长度相同。输入轴4端部插入端部法兰3后通过螺栓紧固。

以下对本发明实施例提供的风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构的有益效果进行说明：

通过将主轴1的端部法兰3和增速齿轮箱2的端部设置为相适配的锥形结构，与现有技术相比，接触面由平面转变为斜面，更易产生较大的摩擦力。进一步地，端部法兰3的尺寸略小于输入轴4端部的尺寸，输入轴4端部插入端部法兰3时更易在接触面上产生较大的压应力，进而提高摩擦力，紧固时所需螺栓数量降低。

可见，本发明实施例提供的风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构，通过设置锥形斜面法兰进行连接，主轴1的端部法兰3的尺寸略小于输入轴4端部的尺寸，接触面摩擦力较大，紧固时所需螺栓数量降低，降低了安装难度和机组设计难度，保证力矩传递效果。

本发明实施例中，如附图1所示，锥面长度为锥面在主轴1(输入轴4)中心线方向上的投影长度。锥面角度为锥面延长线的夹角。

如附图1所示，螺栓连接时，输入轴4端部可以设置有通孔或螺孔，主轴1的端部设置有螺孔，螺栓穿过输入轴4端部的通孔或螺孔，插入并固定在主轴1端部的螺孔内，且螺母与输入轴4端部相抵，将输入轴4与主轴1紧固在一起。螺栓的数量为多个，多个螺栓沿输入轴4和主轴1的周向均匀分布。

第二方面，本发明实施例提供了一种风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构优化设计方法，如附图2所示，该方法包括：

确定主轴1和增速齿轮箱2的材料、主轴1外径、输入轴4内径、主轴1端部法兰3大径和传递扭矩。其中，根据轴承布置和结构设计特点，确定主轴1和增速齿轮箱2的材料，主轴1外径和输入轴4内径。材料确定后，对应地，屈服强度和安全系数也确定下来。根据主轴1法兰特点确定主轴1端部法兰3大径，根据机组载荷特性确定需要传递的扭矩。

初步给定锥面角度，调整锥面角度的给定值直至使结合面的最小压应力小于主轴1可承受最大压应力和输入轴4可承受最大压应力，且结合面的最小压应力大于主轴1最小压应力和输入轴4最小压应力，确定锥面角度。该过程可以参见附图2的流程图。

初步给定结合面长度，调整结合面长度的给定值直至使结合面最小压力小于主轴1可承受最大压力和输入轴4可承受最大压力，且结合面最小压力大于主轴1最小压力和输入轴4最小压力，确定结合面的长度。该过程可以参见附图2的流程图。

根据端部法兰3和输入轴4之间的间隙以及结合面长度确定锥面长度。具体地，将端部法兰3和输入轴4之间的间隙s与结合面长度l求和，可以获得锥面长度s。即，s＝l+g。

根据端部法兰3的大径、锥面长度和锥面角度确定端部法兰3的小径。具体地，式中，da1表示端部法兰3的小径，da2表示端部法兰3的大径、s表示锥面长度，α表示锥面角度。

根据端部法兰3的大径、端部法兰3和输出轴之间的间隙以及锥面角度确定输入轴4端部大径。具体地，式中，db2表示输入轴4端部大径，da2表示端部法兰3的大径，g表示端部法兰3和端部法兰3和输出轴之间的间隙，α表示锥面角度。

根据输入轴4端部大径、锥面长度和锥面角度确定输入轴4端部小径。具体地，式中，db1表示输入轴4端部小径、db2表示输入轴4端部大径、s表示锥面长度，α表示锥面角度。

其中，为节约成本，避免设计余量过大，齿轮箱输入轴4的最小压应力pbmin，输入轴4最小压入力fbmin；主轴1最小压应力pamin，主轴1最小压入力famin均为给定值。

本发明实施例提供的风电机组的主轴和增速齿轮箱连接结构的优化设计方法，初步确定主轴1和增速齿轮箱2的材料、主轴1外径、输入轴4内径、主轴1端部法兰3大径和传递扭矩等参数后，然后通过调整锥面角度和结合面长度确定满足需求的锥面角度和结合面长度，进而确定锥面长度、端部法兰3的小径、输入轴4端部大径、输入轴4端部小径等尺寸，能够设计出满足使用需求的连接结构，提高机组设计优化效率。

具体地，利用下述公式，获取结合面最小压应力：

式中，pmin表示结合面最小压应力，t表示传递扭矩，α表示锥面角度，μ表示端部法兰3和输入轴4之间的摩擦系数，l表示结合面长度，db1表示输入轴端部小径，da2表示端部法兰3大径。

具体地，利用下述公式，获取结合面最小压力：

式中，fmin表示结合面最小压力，pmin表示结合面最小压应力，α表示锥面角度，l表示结合面长度，μ表示端部法兰3和输入轴4之间的摩擦系数，da2表示端部法兰3大径。

具体地，利用下述公式，获取输入轴4可承受最大压应力：

式中，pbmax表示输入轴4可承受最大压应力，da2表示端部法兰3大径，l表示结合面长度，α表示锥面角度，db1表示输入轴4内径，σb表示输入轴4的屈服强度，γb表示输入轴4的安全系数。

具体地，利用下述公式，获取输入轴4可承受最大压力：

式中，fbmax表示输入轴4可承受最大压力，pbmax输入轴4可承受最大压应力，α表示锥面角度，l表示结合面长度，μ表示端部法兰3和输入轴4之间的摩擦系数，da2表示端部法兰3大径。

具体地，利用下述公式，获取主轴1可承受最大压应力：

式中，pamax表示主轴1可承受最大压应力，da1表示主轴1外径，da2表示端部法兰3大径，σa表示主轴1的屈服强度，γa表示主轴1的安全系数，α表示锥面角度，db1表示输入轴4端部小径。

具体地，利用下述公式，获取主轴1可承受最大压力：

式中，famax表示主轴1可承受最大压力，pamax表示主轴1可承受最大压应力，α表示锥面角度，l表示结合面长度，μ表示端部法兰3和输入轴4之间的摩擦系数，db1表示输入轴4端部小径。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。