一种风机主轴制动器强度校核方法及系统与流程

本发明属于风力发电机组零件强度校核技术领域，特别涉及一种风机主轴制动器强度校核方法及系统。

背景技术：

随着社会的发展，资源的不断枯竭，新能源行业越来越受到人民的青睐，这几年风力发电得到了快速发展。制动系统是风力发电机组重要的组成部分，在风力发电机组需要制动时起着极为关键的作用。风机主轴制动器是制动系统的一个重要部件，目前对于风机主轴制动器强度的校核方法主要采用有限元分析法，但是在采用有限元分析法对风机主轴制动器强度进行校核时，需要将主轴制动器相关部件全部建模分析，考虑的非关键因素过多，如公开号为“cn101893047a”，名称为“碟簧加载式液压盘式制动器”的中国发明专利申请，该专利在采用有限元结构对风机主轴制动器进行分析时考虑了很多因素，这将导致建立的有限元模型比较复杂，一些非关键因素被考虑进来，非关键因素导致的计算误差被进一步扩大，不能有效反映风机主轴制动器的情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风机主轴制动器强度校核方法，用于解决现有技术中风机主轴制动器强度校核方法不能准确反映风机主轴制动器情况的问题；同时还提供了一种风机主轴制动器强度校核系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种风机主轴制动器强度校核方法，包括如下步骤：

1)建立风机主轴制动器各部件的三维几何模型，所述三维几何模型包括活动钳体、固定钳体、上挡板、下挡板及螺栓，所述三维几何模型不包括制动器的安装底座；

2)将所述三维几何模型进行转换得到有限元模型，并对所述有限元模型进行有限元分析；

3)在所述有限元模型中对螺栓圆柱面施加螺栓预紧力，并在有限元模型中对活动钳体的活塞孔施加液压力，根据所述预紧力、液压力及由液压力产生的作用在上挡板、下挡板内侧面上的摩擦力，计算风机主轴制动器的等效应力。

本发明首先建立风机主轴制动器各部件的三维几何模型，三维几何模型包括活动钳体、固定钳体、上挡板、下挡板及螺栓，不包括制动器的安装底座；然后将三维几何模型转换为有限元模型，进行有限元分析；再将螺栓预紧力施加到螺栓圆柱面上，并将液压力施加到活动钳体的活塞孔上，计算风机主轴制动器的应力变形情况。本发明的风机主轴制动器各部件的三维几何模型只考虑了关键因素，而未考虑非关键因素，降低了模型复杂性，提高了风机主轴制动器强度校核的效率与准确性，更加符合风电机组主轴制动器的实际运行情况。

为了得到风机主轴制动器的安全系数及危险位置，根据风机主轴制动器的等效应力进一步计算风机主轴制动器的安全系数及危险位置，所述安全系数的计算公式为：

其中，rm为材料安全系数，取1.1；σeqv为等效应力值，单位为mpa；re为材料屈服强度，单位为mpa。

为了使风机主轴制动器强度校核计算结果更加准确，在将所述三维几何模型转换为有限元模型时，需将所述三维几何模型中的圆角半径、螺纹孔去除，得到去除圆角半径、螺纹孔的三维几何模型。

为了使风机主轴制动器强度校核计算结果更加准确，在活动钳体、固定钳体、上挡板、下挡板及螺栓之间建立bonded或rough接触。

为了使风机主轴制动器强度校核计算结果更加准确，所述活动钳体、固定钳体之间通过螺栓连接，在所述活动钳体顶部端面施加fixedsupport约束，对所述固定钳体两侧圆柱孔施加圆柱约束。

本发明还提供了一种风机主轴制动器强度校核系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

1)建立风机主轴制动器各部件的三维几何模型，所述三维几何模型包括活动钳体、固定钳体、上挡板、下挡板及螺栓，所述三维几何模型不包括制动器的安装底座；

2)将所述三维几何模型进行转换得到有限元模型，并对所述有限元模型进行有限元分析；

3)在所述有限元模型中对螺栓圆柱面施加螺栓预紧力，并在有限元模型中对活动钳体的活塞孔施加液压力，根据所述预紧力、液压力及由液压力产生的作用在上挡板、下挡板内侧面上的摩擦力，计算风机主轴制动器的等效应力。

本发明首先建立风机主轴制动器各部件的三维几何模型，三维几何模型包括活动钳体、固定钳体、上挡板、下挡板及螺栓，不包括制动器的安装底座；然后将三维几何模型转换为有限元模型，进行有限元分析；再将螺栓预紧力施加到螺栓圆柱面上，并将液压力施加到活动钳体上，计算风机主轴制动器的应力变形情况。本发明的风机主轴制动器各部件的三维几何模型只考虑了关键因素，而未考虑非关键因素，降低了模型复杂性，提高了风机主轴制动器强度校核的效率与准确性，更加符合风电机组主轴制动器的实际运行情况。

为了得到风机主轴制动器的安全系数及危险位置，根据风机主轴制动器的等效应力进一步计算风机主轴制动器的安全系数及危险位置，所述安全系数的计算公式为：

其中，rm为材料安全系数，取1.1；σeqv为等效应力值，单位为mpa；re为材料屈服强度，单位为mpa。

为了使风机主轴制动器强度校核计算结果更加准确，在将所述三维几何模型转换为有限元模型时，需将所述三维几何模型中的圆角半径、螺纹孔去除，得到去除圆角半径、螺纹孔的三维几何模型。

为了使风机主轴制动器强度校核计算结果更加准确，在活动钳体、固定钳体、上挡板、下挡板及螺栓之间建立bonded或rough接触。

为了使风机主轴制动器强度校核计算结果更加准确，所述活动钳体、固定钳体之间通过螺栓连接，在所述活动钳体顶部端面施加fixedsupport约束，对所述固定钳体两侧圆柱孔施加圆柱约束。

附图说明

图1是本发明的风机主轴制动器三维几何模型的示意图；

图2是本发明的零件间接触关系示意图；

图3是本发明的固定约束示意图；

图4是本发明的螺栓预紧示意图；

图5是本发明的液压力与水平作用力示意图；

图6是本发明的风机主轴制动器的三维视图；

图7为本发明的风机主轴制动器的活动钳体与固定钳体连接关系示意图；

图中：1-活动钳体，2-固定钳体，3-上挡板，4-下挡板，5-螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明建立了风机主轴制动器的三维几何模型并进行装配，模型不包括摩擦片、活塞、密封圈等。将该模型导入有限元分析软件建立风机主轴制动器有限元模型。设置模型各部件的边界条件和接触，对模型施加工作载荷，求解得到风机主轴制动器的应力变形情况，进而得出风机主轴制动器的安全系数与危险位置。

具体的，本发明的风机主轴制动器强度校核方法，包括如下步骤：

1、如图1所示，建立风机主轴制动器各部件三维几何模型，该三维几何模型包括活动钳体1、固定钳体2、上挡板3、下挡板4、螺栓5，三维几何模型不包括固定制动器的安装底座，其约束通过边界条件施加。风机主轴制动器的各部件装配成风机主轴制动器，风机主轴制动器的各部件的真实连接关系如图6及图7所示。

2、将上述三维几何模型转换为有限元模型，并导入有限元分析软件进行有限元分析。为了简化网格、消除奇异网格以提高计算准确性，主要去除了三维几何模型中的个别细节，如圆角半径、螺纹孔。本实施例采用的有限元软件为ansysworkbench15.0，对风机主轴制动器的三维几何模型进行网络划分时，为了更好模拟螺栓5连接部位的受力传递情况，螺栓5采用实体建模，螺栓5及螺孔区域适当加密网格以提高网格质量。

3、在活动钳体1、固定钳体2、上挡板3、下挡板4、螺栓5之间建立bonded或rough接触，如图2所示。活动钳体1、固定钳体2之间通过螺栓5连接，由于真实情况下安装底座的固定作用和活动钳体1、固定钳体2之间螺栓5的连接作用，施加边界条件时只需对活动钳体1顶部端面施加fixedsupport约束ux＝uy＝uz＝0，对固定钳体2两侧圆柱孔施加圆柱约束ux＝uz＝0，如图3所示。

4、将螺栓预紧力通过预紧力选项pretension直接施加到螺杆圆柱面上，如图4所示，并将此设为载荷步(1)。其中，螺栓预紧力的施加步骤为：在每个螺栓上都施加预紧力，螺栓预紧力通过pretension载荷命令施加到螺杆圆柱面上，这一命令可以将螺杆在预紧力截面处断开，在这两部分一一对应的节点之间，创建一个pre179单元，通过pre179单元的被拉伸的情况来控制预紧力从而产生预紧力效果，根据作用力与反作用力原理，将压力通过螺栓帽与活动钳体1之间的接触传递到活动钳体1上。比如螺栓5受拉力，被螺栓5紧固的物体受到相同大小的压力，单个螺栓的预紧力为：

其中，d为螺纹部分危险剖面的计算直径；

σ0＝(0.5～0.7)σs

其中，σs为螺栓材料的屈服极限。

5、在活动钳体1活塞孔的底部端面上施加液压力，并将此设为载荷步(2)，具体的为：使用force选项施加，其计算方法为液压力＝工作压力×活塞孔底部作用面积。由于液压力的施加，液压力使得活动钳体1的上挡板3、下挡板4相向移动挤压制动盘产生摩擦力，并分别作用在左侧上、下挡板4的内侧面上，摩擦力＝液压力×摩擦系数，因作用力与反作用力的关系，作用在固定钳体2上的等效集中力与活动钳体1上的等效应力相等，如图5所示。

6、分别求解载荷步(1)、载荷步(2)，载荷步(1)计算的为预紧力作用下结构的应力与变形并将计算结果锁定之后参与载荷步(2)的计算，载荷步(2)计算的是液压力、摩擦力、预紧力共同作用下风机主轴制动器的应力与变形情况，计算等效应力，该等效应力指的是vonmises等效应力,其是基于剪切应变能的一种等效应力，其表达式为：

其中，σx、σy、σz分别指正应力，τxy、τyz、τzx为对应的切应力。采用有限元计算方法，计算时在液压力、摩擦力、预紧力的共同作用下，制动器产生应力变形，经计算，有限元软件提取各个节点或单元上的各项正应力与切应力值，根据等效应力计算公式得到各个节点或单元上的等效应力值。根据最终得出的风机主轴制动器的等效应力值计算其安全系数，风机主轴制动器上每个位置上的等效应力都可以根据下述的公式计算出对应的安全系数值，风机主轴制动器上安全系数最小的位置即为等效应力最大的位置，也即为风机主轴制动器的危险位置，此安全系数最小的值即为风机主轴制动器的安全系数，风机主轴制动器的安全系数的表达式为：

其中，rm为材料安全系数，取1.1；σeqv为等效应力值，单位为mpa；re为材料屈服强度，单位为mpa。

本发明还提供了一种风机主轴制动器强度校核系统，该校核系统是与上述校核方法相对应的进程和程序，由于校核方法的具体实施方式已经在上述实施例中进行了详细的说明，因此，在这里不再赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。