鎖緊盤外環(huán)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(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心， 山西 太原 030024)

0 前言

隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源問題日益突出。建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)，建立具有中國特色的“綠水青山”型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式要求進(jìn)一步發(fā)展清潔能源。我國有豐富的風(fēng)能儲(chǔ)備，截至2017年底，累計(jì)裝機(jī)容量2790MWh，為進(jìn)一步開發(fā)利用風(fēng)能，必須大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。

鎖緊盤廣泛應(yīng)用于兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主傳動(dòng)鏈。鎖緊盤主要應(yīng)用過盈連接原理，國內(nèi)外專家在這個(gè)方面進(jìn)行了大量的研究。J. Mather[1]計(jì)算了過盈聯(lián)接的應(yīng)力分布，并通過三維光彈數(shù)據(jù)得到了驗(yàn)證，為鎖緊盤的理論設(shè)計(jì)及應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。王建梅[2-6]基于過盈聯(lián)接的計(jì)算方法，發(fā)明了四種風(fēng)電鎖緊盤的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，形成了一套鎖緊盤的設(shè)計(jì)方法與理論，并應(yīng)用數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了不同方法的對(duì)比研究，開發(fā)了風(fēng)電鎖緊盤的應(yīng)用程序，基于鎖緊盤設(shè)計(jì)理論建立了考慮溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)的N層過盈連接設(shè)計(jì)理論。Pedersen P[7]從應(yīng)力基礎(chǔ)理論公式出發(fā)推導(dǎo)過盈聯(lián)接的徑向和軸向應(yīng)力，并給出了應(yīng)力分布示意圖。滕瑞靜等[8]充分考慮了影響過盈聯(lián)接接觸應(yīng)力的四個(gè)主要因素：包容件外徑、過盈量、結(jié)合直徑和寬度，通過ABAQUS得到過盈層邊緣的最大等效應(yīng)力，構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型。殷丹華[9]在彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上，針對(duì)圓柱和圓錐過盈聯(lián)接的應(yīng)力計(jì)算方法進(jìn)行了探究，推導(dǎo)了承載扭矩和接觸壓力、摩擦系數(shù)等參數(shù)之間的關(guān)系。

實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙室內(nèi)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(shè)計(jì)缺乏對(duì)外環(huán)螺紋的承載位置與服役性能的相關(guān)分析。本文運(yùn)用有限元分析軟件，以螺紋加載的兩個(gè)極端位置為研究對(duì)象，建立有限元分析模型，以某型號(hào)鎖緊盤外環(huán)為例，對(duì)比螺紋極端承載位置下外環(huán)的力學(xué)特性，得到螺紋承載區(qū)遠(yuǎn)離前端面具有更小的最大等效應(yīng)力和更均勻的接觸應(yīng)力。

1 鎖緊盤工作原理

如圖1所示為單錐鎖緊盤結(jié)構(gòu)示意圖，鎖緊盤由外環(huán)、內(nèi)環(huán)、螺栓、軸套組成。在未扭緊螺栓前，外環(huán)與內(nèi)環(huán)、內(nèi)環(huán)與軸套、軸套與軸處于貼合但無作用狀態(tài)，通過扭緊螺栓，使外環(huán)與內(nèi)環(huán)的對(duì)應(yīng)錐面處于過盈狀態(tài)，隨著螺栓進(jìn)一步扭緊，內(nèi)環(huán)與軸套、軸套與軸最終處于過盈狀態(tài)，產(chǎn)生徑向力，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力傳遞扭矩或力。

圖1 鎖緊盤結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元仿真分析

外環(huán)是鎖緊盤加載的主要部件，若外環(huán)端面的法線方向與外環(huán)相對(duì)內(nèi)環(huán)的移動(dòng)方向相同，則稱該端面為外環(huán)的前端面；若外環(huán)端面的法線方向與外環(huán)相對(duì)內(nèi)環(huán)的移動(dòng)方向相反，則稱該端面為外環(huán)的后端面。為研究外環(huán)螺紋承載位置對(duì)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(huán)的前端面與后端面的情況，進(jìn)行了有限元分析。針對(duì)某型鎖緊盤的外環(huán)結(jié)構(gòu)，基于Workbench仿真軟件建立有限元分析模型，將外環(huán)受載直至停止的運(yùn)動(dòng)過程，抽象為一個(gè)帶內(nèi)錐面的圓環(huán)在端面位移載荷的作用下，沿貼合的粗糙剛性錐面移動(dòng)一段距離。外環(huán)材料設(shè)置為結(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)置為0.15。位移載荷分別設(shè)置為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm，并依此進(jìn)行仿真試驗(yàn)同時(shí)輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。如表1所示為外環(huán)的幾何尺寸。

表1 外環(huán)幾何尺寸參數(shù)

依據(jù)表1幾何尺寸，建立鎖緊盤外環(huán)幾何模型，如圖2所示。為簡(jiǎn)化模型，便于分析計(jì)算，將粗糙的剛性錐面模擬成一個(gè)空心圓臺(tái)，該模型的外錐面與外環(huán)模型的內(nèi)錐面緊密貼合。

圖2 鎖緊盤外環(huán)幾何模型

圖3所示為作用在外環(huán)后端面的位移載荷的施加方式；圖4所示為作用在外環(huán)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(yīng)力云圖，進(jìn)一步得到外環(huán)的危險(xiǎn)截面與危險(xiǎn)點(diǎn)。圖5所示為外環(huán)前端面在位移載荷為5 mm時(shí)的等效應(yīng)力云圖；圖6所示為外環(huán)后端面在位移載荷為5 mm時(shí)的等效應(yīng)力云圖。

圖5 前端面等效應(yīng)力云圖

圖6 后端面等效應(yīng)力云圖

圖5可以看出，前端面受載狀態(tài)下危險(xiǎn)面是外環(huán)的內(nèi)圓錐接觸面，危險(xiǎn)應(yīng)力出現(xiàn)于外環(huán)前端面半徑最小處；圖6可以看出，后端面受載狀態(tài)下危險(xiǎn)面是外環(huán)的內(nèi)圓錐接觸面，危險(xiǎn)應(yīng)力出現(xiàn)于外環(huán)后端面半徑最小處。

以前端面的形心處為原點(diǎn)，建立圓柱坐標(biāo)系，高度軸沿外環(huán)的軸線方向，且與前進(jìn)方向相反，半徑方向?yàn)橥猸h(huán)的徑向方向。沿外環(huán)軸向截面的內(nèi)輪廓線輸出單元應(yīng)力數(shù)據(jù)，繪制接觸壓力與等效應(yīng)力圖。

圖7所示為不同位移載荷作用下，兩種受載位置狀態(tài)的接觸壓力軸向分布圖。圖7可以看出，對(duì)于相同位移載荷，前端面受載與后端面受載狀態(tài)的最大接觸應(yīng)力均出現(xiàn)在接觸面的前端；前端面受載的最大接觸應(yīng)力小于后端面受載的最大接觸應(yīng)力；軸線上外環(huán)的中部位置處，兩種受載狀態(tài)的接觸應(yīng)力相對(duì)平穩(wěn)，前端面受載狀態(tài)的的接觸應(yīng)力低于后端面受載狀態(tài)的接觸應(yīng)力；在接觸的后端位置處，前端面受載狀態(tài)的接觸應(yīng)力逐漸減小，后端面受載狀態(tài)的接觸應(yīng)力趨于平穩(wěn)；后端面受載狀態(tài)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(tài)的等效應(yīng)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(tài)與后端面受載狀態(tài)的等效應(yīng)力在軸線方向分布平緩；前端面受載狀態(tài)的等效應(yīng)力在前端面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，后端面受載狀態(tài)的等效應(yīng)力在前端面未出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中；與前端面受載狀態(tài)比較，后端面受載狀態(tài)的等效應(yīng)力在接觸面上分布更均勻，最大等效應(yīng)力值更小。

圖8 接觸面等效應(yīng)力軸向分布

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

圖9 平均接觸應(yīng)力軸向分布

圖10所示為不同推進(jìn)行程的兩種受載位置狀態(tài)的最大等效應(yīng)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(tài)與后端面受載狀態(tài)的最大等效應(yīng)力，隨位移載荷的增加而增加，前端面受載狀態(tài)的最大等效應(yīng)力比后端面受載的最大等效應(yīng)力大26%。

圖10 接觸面最大等效應(yīng)力軸向分布

3 結(jié)論

(1)外環(huán)危險(xiǎn)面為內(nèi)錐接觸面，外環(huán)螺紋受載區(qū)的軸向位置會(huì)與危險(xiǎn)點(diǎn)的軸向位置存在同一性，前端面受載危險(xiǎn)點(diǎn)位于前端面，后端面受載危險(xiǎn)點(diǎn)位于后端面。

(2)在平均接觸應(yīng)力相似的情況下，外環(huán)后端面受載狀態(tài)比前端面受載狀態(tài)具有更均勻的等效應(yīng)力分布、更小的最大等效應(yīng)力。說明相同結(jié)構(gòu)尺寸與傳動(dòng)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(yīng)力相似的情況下，外環(huán)后端面受載狀態(tài)比前端面受載狀態(tài)具有更均勻的接觸應(yīng)力分布，但在前端部有更大的接觸應(yīng)力。說明相同結(jié)構(gòu)尺寸與傳動(dòng)能力下，后端面受載較前端面承載更可能出現(xiàn)“抱軸”等現(xiàn)象。

當(dāng)前鎖緊盤外環(huán)設(shè)計(jì)未考慮螺紋實(shí)際承載的軸向位置對(duì)服役性能的影響，本文通過仿真探究得到了將外環(huán)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(jié)構(gòu)輕量化、綠色化設(shè)計(jì)思路提供指導(dǎo)與建議。