风电锁紧盘设计计算可视化软件开发

徐俊良，王建梅，唐 亮，苗克军

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

随着社会的发展，环境面临着越来越严峻的挑战，清洁能源的使用成为人类发展的一个重要方向。风力发电成为解决电力紧缺的重要途径。风电锁紧盘作为风力发电机的一个重要部件，其设计的好坏直接影响风电机的使用状况。

对于风电锁紧盘的计算方法已经做了很多研究。在理论方面，基于厚壁圆筒理论推导了多层圆筒过盈配合的接触压力与过盈量的算法[1]。在设计方面，与传统的多层过盈联接设计方法相比，新的设计方法精确度更高[2]。同时，研究了装配间隙、加工偏差、质量缩放、温度等因素对风电锁紧盘性能产生的影响[3-5]。

在设计风电锁紧盘时，运算量较大，并且设计不同型号的风电锁紧盘时，计算方法基本相同。为了提高设计计算风电锁紧盘的效率，用精确的设计计算方法编写Fortran源程序[6-7]，开发风电锁紧盘设计计算软件。但是Fortran语言可视化效果和操作性较差，因此该软件应用可视化效果较好的VB程序调用Fortran生成的动态链接库，实现风电锁紧盘可视化设计计算的软件开发[8-9]。另外，在VB中增加了数据库结构，能够更加方便地保留计算结果和查询计算结果[10]。

1 理论模型

1.1 风电锁紧盘简介

图1 风电锁紧盘结构示意图Fig.1 Structure of wind turbine′s shrink disk

风电锁紧盘是应用在风电机组中联接叶片主轴与齿轮箱的锁紧装置，其结构如图1所示。通过拧紧螺栓，内外环发生相对轴向移动，使各个接触面间形成过盈配合。利用过盈配合的接触面间形成的压力和摩擦力达到传递扭矩或轴向力的目的。

1.2 主要设计计算公式

1.2.1 “由里到外”计算方法主要公式

计算主轴与轴套接触面间的最小压强Pmin1：

(1)

式(1)中，T为主轴传递的扭矩(kNm)；Fa为主轴传递的轴向力(kN)；μ1为接触面摩擦系数；d为主轴与轴套接触面直径(mm)；l为主轴与轴套接触面长度(mm).

计算轴套与内环、内环与外环接触面间的压强：

(2)

式(2)中，P2为组合筒消除间隙所需要的外压强(MPa)；P1为组合筒内所需要接触压强(MPa)；X为组合筒内间隙(mm)；Ea为外筒弹性模量(MPa)；d2为结合面直径(mm)；d3为外筒直径(mm).

计算各个接触面间的过盈量：

(3)

1.2.2 按螺栓拧紧力计算方法主要公式

通过拧紧螺栓力，计算内外环长圆锥面间形成的压强[2]：

(4)

式(4)中，CL=CaL+CiL；CS=CaS+CiS；CaL为长圆锥面的系数Ca；CiL为长圆锥面的系数Ci；Fa为全部螺栓的拧紧力(kN)；lL为长圆锥面轴向长度(mm)；lS为短圆锥面轴向长度(mm)；μ为接触面摩擦系数；β为圆锥面倾角。

1.2.3 校核计算主要公式

根据第四强度理论，得到组合圆筒不发生塑性变形所允许的最大压强：

(5)

(6)

2 可视化软件设计

2.1 Fortran源程序

2.1.1 程序模块

图2 计算流程简图Fig.2 Calculation flow chart

程序分为主程序和子程序，图2为其计算流程简图。

本程序包括六个子程序，其功能分别如下所述：

子程序1(PAMOI)功能：在已知包容件与被包容件所需参数时，计算包容件与被包容件接触面传递载荷所需的最小过盈量和包容件与被包容件都不发生塑性变形所允许的最大过盈量和最大正压力。其用于求解外套与内环、内环与轴套、轴套与轴的接触面不发生塑性变形所允许的最大正压力与最大过盈量。

子程序2(CTCOTQAC)功能：在已知所需基本设计参数时，计算公式中用到的参数qi、qa、Ci、Ca，其用于计算外套与内环长圆锥面、短圆锥面的平均直径比和系数。

子程序3(CIP)功能：在已知两个厚壁组合圆筒相关参数时，计算厚壁圆筒在最大间隙和最小间隙下各个面的正压力。其用于在按照螺栓拧紧计算过程中，根据内环与轴套、轴套与主轴之间不同的配合间隙，分别计算两接触面在最大间隙和最小间隙下内环与轴套接触面、轴套与轴接触面的正压力和过盈量。

子程序4(NQINT)功能：对所给参数乘以100用INT函数取整，然后除以100.0，对其进行截断。其用于内环长圆锥接触面尺寸确定时小数的取舍。

子程序5(WQINT)功能：对所给参数乘以100用CEILING函数取最大整数，再除以100.0，对其进行截断。其用于外环长圆锥接触面尺寸确定时小数的取舍。

子程序6(SIZE)功能：在给定外环与内环相关参数时，进行外套与内环尺寸的确定与计算，得出外套与内环配合的详细尺寸。

主程序包括三部分内容：尺寸计算模块、按照拧紧力计算模块、校核计算模块。

尺寸计算模块主要是计算出风电锁紧盘内环、外环的详细尺寸。

按照拧紧力计算模块主要是根据螺栓的拧紧力计算各接触面是否满足所需的最小过盈量和正压力。首先，根据螺栓产生的轴向力，求解出外环与内环长圆锥接触面和短圆锥接触面各自的正压力以及长圆锥接触面过盈量。其次，由外环与内环长接触面正压力，求出内环与轴套接触面过盈量与正压力。最后，由轴套与内环接触面正压力，求解出轴与轴套接触面正压力、过盈量和所能传递的扭矩。

校核计算模块主要是按照传递的额定载荷计算各个接触面的最小压强和过盈量，同时按照第四强度理论计算各个接触面所能承受的最大压强和过盈量。首先，对主轴和轴套进行校核计算。其次，对轴套和内环进行校核计算。最后，对内环与外环进行校核计算。

2.1.2 Fortran源程序生成动态链接库

创建用于VB应用程序的Fortran动态链接库的方法与步骤如下：

(1)在Microsoft FortranStation6.0的环境下，新建一个工程，其类型选为Dynamic-Link Library并命名，从而创建了工程类型为Fortran动态链接库的工程文件(.DSP)；

(2)编写Fortran源程序(.FOR)并加入到该工程；

(3)编译(Compile)、建造(Build)此源程序，即可生成动态链接库文件。

2.2 VB的设计

2.2.1 VB可视化界面设计

设计VB界面时，计算风电锁紧盘所需要的输入、输出参数均显示于界面。同时，添加了数据库功能，能够随时保存和查看计算结果。另外，还能查看风电锁紧盘图纸和设计计算说明。

2.2.2 数据库链接

风电锁紧盘数据库包含输入参数数据库和输出结果数据库，两者的建立和相关操作原理是类似的。在VB中可用的数据访问接口有三种：ActiveX数据对象(ADO)、远程数据对象(RDO)和数据访问对象(DAO).ADO是比其他两个更加简单、灵活的对象模块。在本设计中采用了ADO访问数据库Access.图3为建好的输入参数数据库和输出结果数据库。

图3 风电锁紧盘设计计算可视化软件中的数据库Fig.3 The access of visualization software forwind turbine shrink disk

2.2.3 调用动态链接库

对VB系统而言，创建的Fortran动态链接库的子程序是一个外部过程。因此调用该动态链接库之前，VB需要声明该过程的信息，以便编译器能够找到该过程，并生成正确的调用接口。

存储在Fortran动态链接库中的子程序或函数过程需要在全局模块或表格级模块中声明，下面是声明的格式：

Declare Sub<动态链接库子程序过程名>Lib 动态链接库名[Alias 过程别名][{<参数表>}。或者，Declare Function<动态链接库函数过程名>Lib 动态链接库名[Alias“过程别名” ]<参数表>)][As数据类型]。

2.3 VB与Fortran的混合编程

Fortran语言具有强大的数值计算能力，在描述数学语言的自然性方面，同现存的其他高级语言相比有明显的优势，但是Fortran的可视化效果和操作性较差，故用VB与Fortran混合编程。

首先，将Fortran源代码在compaq visual Fortran软件中编译成动态链接库，然后通过VB调用动态链接库，实现可视化计算，如图4.

图4 VB对Fortran动态链接库的调用Fig.4 The call of VB to Fortran dynamic link library

2.4 计算结果的可视化

在开发好的VB界面中，输入输入参数，可以得到内外环最小间隙和最大间隙时相应的输出结果。同时，可以对相应的数据库进行操作，可以查看设计图纸、放大缩小设计图纸和查看内外环的受力分析，如图5.

3 结束语

在现有风电锁紧盘设计计算方法的基础之上，通过Fortran与VB混合编程，完成了风电锁紧盘设计计算的软件开发。通过风电锁紧盘设计计算软件，可以高效、准确的设计不同型号的风电锁紧盘。

参考文献：

[1] 王建梅，陶德峰，黄庆学.多层圆筒过盈配合的接触压力与过盈量算法研究[J].工程力学，2013，30(9)：270-275.

[2] 王建梅，康建峰，陶德峰.多层过盈连接的设计方法[J].四川大学学报，2013，45(4)：84-89.

图5 风电锁紧盘设计计算可视化软件Fig.5 Visualization software for wind turbine shrink disk

[3] 唐亮，王建梅，陶德峰.装配间隙对风电锁紧盘性能的影响分析[J].太原科技大学学报，2013，34(2)：125-129.

[4] 王建梅，陶德峰，唐亮.加工偏差对风电锁紧盘性能的影响分析[J].机械设计，2014，31(1)：59-62.

[5] 陶德峰，王建梅，唐亮.质量缩放在风电锁紧盘装配分析中的应用[J].太原科技大学学报，2013，34(1)：32-36.

[6] 陈科.FORTRAN完全自学手册[M].北京：机械工业出版社，2009：441.

[7] SPADA G，STOCCHI P.SELEN：A Fortran 90 program for solving the“sea-level equation”[J].Computers & Geosciences，2007(33)：538-562.

[8] 唐亮，王建梅，康建峰.油膜轴承性能计算可视化界面的开发[J].轴承，2013(2)：61-64.

[9] 王建梅，赵春江，姚建斌.轧机油膜可视化性能计算系统的设计及实现[J].太原科技大学学报，2006，27(9)：17-19.

[10] 赵党辉，孙斌.基于VB数据库访问技术的应用研究[J].科技信息，2008(35)：861-862.