风力发电机锁紧盘的优化设计方法

王颜辉，穆宇亨

(1.山西能源学院 机电工程系，山西 晋中 030006；2.山西蒲县蛤蟆沟煤业有限公司，山西 临汾 041200)

0 前言

在锁紧盘进行优化设计前，必须确定锁紧盘各参数变化对其输出性能的影响。因此，本文在CAE环境下，对锁紧盘进行参数化建模。

实际装配中，锁紧盘内环和外环之间存在过盈，为了参数管理方便，节省计算资源，参数化建模时内环和外环设置一致。为了便于检查样板，将锁紧盘锥角定义为常数2.58°。锁紧盘设计的输出参数是通过有限元接触非线性计算得出的。在有限元分析的环境下，两部件之间力的传递是通过设定接触对来实现的。传统的接触设定是在几何导入时，装配体中带入这个接触(建模时体现零件之间的间隙和过盈)。或者在几何导入时，装配体之间不体现间隙或过盈，而通过定义组件之间是何种配合关系体现，控制间隙还是过盈是通过设定接触对中参数offset来实现的，offset为正值，表示定义接触的两零件之间存在过盈，offset为负值，则表示存在间隙。优化的约束条件通过参数设定来实现。

(1)锁紧盘外环最大等效应力，该数值应当低于外环材料的屈服强度，从而确保外环不会发生失效。

(2)锁紧盘传递的扭矩值，该数值应满足风力发电机工作所需扭矩。

(3)锁紧盘轴向力，确保锁紧盘在拆卸过程中可以弹出，不会发生自锁现象。

(4)行星架最大等效应力，确保行星架在锁紧盘作用力下不会发生失效。

优化设计的目标函数为减轻锁紧盘的重量。以上设计变量参数为12组，约束条件参数为4组，为多目标参数的优化设计问题。通过参数化建模，可以对任意结构形式的锁紧盘进行设计计算，提高了设计效率和可靠性。

1 锁紧盘非线性接触计算理论

锁紧盘有限元分析计算属于非线性计算的范畴。在接触算法上，采用了增广的拉格朗日法，该方法收敛性好，对接触刚度不是很敏感，能够保证计算的可靠性。为确保计算结果网格无关性，提升网格质量，节省求解所需时间，在网格划分处理上采用了结构化网格，同时设置适中的网格密度，既能满足网格无关性的要求，同时确保计算的速度，在参数收集和响应曲线建立上不会消耗过多的时间。图1为优化设计的有限元模型。图2为锁紧盘外环等效应力云图，应保证该参数低于锁紧盘外环材料的屈服强度850 MPa。图3为行星架等效应力云图，应保证该参数低于行星架材料的屈服强度380 MPa。图4为锁紧盘装配位置上，主轴上接触应力分布云图，主轴上接触应力能够反应出锁紧盘传递扭矩数值，应保证传递扭矩不低于4 760 kN·m。由于传递扭矩是通过后处理积分运算获得，可以将扭矩数值和最大接触应力相关联，为了保证传递扭矩，最大接触应力必须高于一定数值。

图1 优化设计有限元模型

图2 外环等效应力云图

图3 行星架等效应力云图

图4 主轴接触应力分布云图

2 响应曲线、曲面、灵敏度的绘制

在进行响应曲面图绘制之前可以将输入参数进行收集，通过Workbench参数收集模块计算完成参数的相关矩阵图，如图5所示，该矩阵对角线数值为1，数值绝对值越接近1表示参数之间相关度越高，相反则表示两参数之间相关度低。通过相关矩阵图可以很清楚的得知参数之间的相关性。

图5 相关矩阵图

图6为输入参数对输出参数的灵敏度响应柱状图，从图中可以清晰地看出每个输入参数变化对输出参数的影响程度，可以选出灵敏度高的参数作为优化参数，提升优化目标搜索的效率。

图6 灵敏度响应柱状图

做响应曲面的参数有：P5：锁紧盘短锥高度，参数变化区间为50～70；P9：锁紧盘总高度，参数变化区间为280～320；P10：锁紧盘外环外圆半径，参数变化区间为540～580；P11：锁紧盘内环长锥最薄处壁厚，参数变化区间为5～15；P12：锁紧盘内、外环短锥面之间的过盈量，参数变化区间为0.5～1.2；P13：锁紧盘内、外环长锥面之间的过盈量，参数变化区间为1.2～1.6。

通过响应曲面(线)可以直观地看出输入参数和建立的约束条件的关系，从而更加深入的了解设计中各参数的作用。

图7为锁紧盘短锥高度和约束条件的关系曲线，从曲线中可以得出参数变化对约束条件的影响。

图7 短锥高度对约束条件的影响曲线

其中，P15为锁紧盘外环长锥面最大等效应力；P16为行星架最大等效应力；P17为锁紧盘主轴最大接触应力的搜寻路径；P18为计算所得锁紧盘轴向反作用力。

图8～图12分别为XYPlane.H29(锁紧盘总高度)、XYPlane.V30(锁紧盘外环外圆半径)、bihou(锁紧盘内环壁厚)、P12(锁紧盘短锥面过盈)和约束条件参数的关系曲线。完成设计参数响应曲线建立之后，可以根据各响应曲线之间的关系绘制响应曲面，优化分析模块可以根据响应曲面来搜寻得出最佳的优化数值。

图8 总高度对约束条件的影响曲线

图9 锁紧盘外环外圆半径对约束条件的影响曲线

图10 锁紧盘内环壁厚对约束条件的影响曲线

图11 锁紧盘短锥面过盈对约束条件的影响曲线

图12 锁紧盘长锥面过盈对约束条件的影响曲线

3 锁紧盘的优化设计

响应曲面建立之后，对锁紧盘参数进行多目标优化，以2.5 MW功率风机的φ720锁紧盘为优化目标，该锁紧盘初始设计要求传递扭矩为5 800 kN·m，后因改主轴内孔要求传递扭矩降低为4 600 kN·m，存在较大的优化空间。

为了确保行星架强度能满足要求，P16参数的最大等效应力值应低于其屈服强度340 MPa。P15为锁紧盘外环长锥面最大等效应力，并且在优化搜寻目标时该数值应尽可能小。P18数值应当为负值，这样在锁紧盘拆卸过程中内环可以自动弹出，考虑到仿真中内、外环锥面间摩擦系数受润滑脂MoS2的影响，确保轴向反力低于-2 000 N。P17为锁紧盘对主轴接触应力的最大值，为确保传递扭矩的要求，其值应不低于185 MPa。图13为参数P16的搜寻路径，可以看出所有的设计点都能够满足该约束条件。图14为参数P15的搜寻路径，可见有部分设计点能够满足约束条件的要求。图15为参数P18的搜寻路径，可见大部分设计点能够满足约束条件的要求。图16为参数P17的搜寻路径，可以看出部分设计点能够满足约束条件的要求。图17为多目标优化路径优化搜寻样本图，每一条折线代表着满足约束条件下的目标搜寻方案。

图13 P16约束条件搜寻路径

图14 长锥等效应力搜寻路径

图15 轴向力搜寻路径

图16 主轴最大接触应力搜索路径

图17 搜索样本图

优化计算后给出三组最佳参数数值，通过比较选择第三组方案为最佳方案。图18为优化后和优化前的一些结果对比，优化后锁紧盘重量降低为优化前的81%。

4 结束语

本研究完成了锁紧盘结构和与其配合的行星架和风机主轴接口处的全参数化建模，在开发新类型锁紧盘时，可以通过控制参数驱动生产新模型进行计算，得出满足相关参数要求的锁紧盘设计方案。在参数化建模时，引入了控制网格质量的参数和几何分割技术，使重新生成的网格为结构化网格，确保了每次的计算都能保证精度要求。同时应用了接触自动检测技术，每次生成模型的接触非线性关系无需重新去定义。避免了初始设计-计算-修改设计-计算的循环流程，减少了重复出图的时间。多目标优化分析算法可以描述锁紧盘各参数对其输出性能的定量影响程度，使设计技术人员对锁紧盘结构设计有了更深入的了解，提升产品可靠性。