风力发电机组关键结构件设计评估指南 征求意见稿

00 备案号： B 国家认证认可监督管理委员会 力发电机组关键结构件设计评估指南 01201国家认证认可监督管理委员会 发 布 2012 目 录 前 言 1 范围 . 规范性引用文件 . 术语和定义 . 设计评估概述 . 设计评估 .料要求 .审目的 .整性检查 . 图纸评审 .件图纸 .件图纸 .接件图纸 . 设计技术规范 评审 .件 设计技术规范 .件设计技术规范 .接件设计技术规范 . 强度分析报告 评审 .度分析 报告内容完整性 .限元模型检查 . 独立并行计算 .录 A：关键结构件静强度与疲劳强度 计算 介绍 .强度 计算 .劳强度计算 流程及要点 .录 B： 有限元法介绍 .2012 前 言 国际上 目前陆上风力发电机组的设计一般依据标准 1400005，海上风力发电机组的设计一般依据标准 1400009， 风力发电机组 认 的 证 依据标准 010； 德国劳氏船级社发布的 则，同时也被广泛应用， 其内容同时涵盖了风力发电机组的 设计 要求与 认证 要求 。国内 陆上 风力发电机组的设计依据标准 海上风力发电机组的设计依据标准 31517风力发电机组 认 的 认证依据标准 25458 设计标准规定了风力发电机组 整机及其 每个组成部分的设计要求，认证标准介绍了项目认证、型式认证及部件认证的组成模块及相关模块的评估范围。 上述 标准中对于风力发电机组关键结构件（以下简称关键结构件） 应 如何进行设计评估， 均 未提及。 本指南在上述标准基础上，规定了关键结构件设计评估流程及每个设计评估环节的 具体 要求 ，使关键结构件设计评估工作有章可循 ，有助于 提升 认证机构 对于关键结构件设计评估的质量 水平 。此外，本指南可作为认证机构与 申请人在设计评估过程中 进行沟通的重要 依据 。 本指南主要起草单位：中国质量认证中心、中车株洲电力机车研究所有限公司 风电事业部、国电联合动力技术有限公司、 北京金风科创风电设备有限公司 、 南京高速齿轮制造有限公司、 重庆重齿风电齿轮箱有限 责任公司。 本指南主要起草人：邢合萍、李建桥、康巍、王宁、吕杏梅、宁红超、 张讯、裴月、李世慧、赵玉、王伟峰、李常 、王英博、杨天时、姚晨希 。 风力发电机组关键结构件设计评估指南 1 范围 本指南规定了风力发电机组关键结构件的设计评估流程及各评估环节的具体要求，并介绍了基于有限元法的关键结构件静强度与疲劳强度计算流程与要点。 本指南所指 风力发电机组关键结构件 主要 包括轮毂、主轴、轴承座、主机架、发电机机架、齿轮箱扭力支撑臂与行星架 ，根据其生产方式可分为铸件、锻件及焊接件。 小型风力发电机组关键结构件设计评估可参照执行。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改版）适用于本文件。 197通螺纹 公差 228属材料 室温拉伸试验方法 229属夏比缺口冲击试验方法 231属布氏硬度试验 第 1 部分：试验方法 709热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差 1184状和位置公差值 未注公差值 1348磨铸铁 1591合金高强度结构钢 1804般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差 3077金结构钢 5048潮包装 5313度方向性能钢板 面粗糙度对比样块 铸造表面 6402锻件超声检测方法 6414件 尺寸公差与机械加工余量 9441墨铸铁金相检验 9444钢件磁粉检测 9445损检测 人员资格鉴定与认证 11351件重量公差 13384电产品包装通用技术条件 18451力发电机组 设计要求 19804接结构件的一般尺寸公差和形位公差 25458 风力发电机组 合格认证规则及程序 131517 海上风力发电机组 设计要求 1400力发电机组 第 1 部分：设计要求（ : 1400力发电机组 第 3 部分：海上风力发电机组设计要求（ : 1400力发电机组 第 22 部分：合格测试与认证（ 2: 48 : N 45 : N 1563 N 506 : N 892 : N 10025 : S 0083 : S 712S 2944 : N 1369N 12680: N 10228: N 10228: 010 012 3 术语和定义 请人 申请认证的实体 。 力发电机组制造商 从事风力发电机组制造的实体。 计认证 由认证机构对某一型号风力发电机组的设计满足指定要求而出具书面保证的程序。 计评估 对风力发电机组按照设计条件、指定标准和其他技术要求进行设计的全部内容进行。 审 为确定主题事项达到规定目标的适宜性、充分性和有效性所进行的活动。 估人员 认证机构内具有相关资质执行设计评估的人员。 立并行计算 评估人员为验证申请人关键结构件强度计算结果的符合性而开展的独立计算工作。 强度 指结构在极限载荷作用下抵抗变形或破坏的能力。 劳强度 指结构在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力。 和疲劳寿命 N 的关系曲线，主要用于描述 材料的疲劳特性。 4 设计评估概述 根据 25458力发电机组 合格认证规则及程序，设计认证模块如图 1 所示。 设计基础评估 设计评估 制造能力评估 设计认证证书 最终评估报告 获证后监督检查 安全及功能试验 图 1：设计认证模块图 设计评估是设计认证的核心模块，它的 目的是为了检查风力发电机组是否按设计条件、指定标准和其他技术要求进行设计。 设计评估 的 对象包括控制和保护系统、载荷、电气部件、机械部件与 关键 结构件、叶片、机体外壳 、塔架 ，以及 塔架 基础评估（可选 ） 等 。 关键结构件设计评估一般流程 如下 ： 图 2： 关键结构件设计评估一般流程 5 设计评估 风力发电机组设计评估一般依据当前有效版本的风力发电机组设计与认证标准进行。 随着风电行业的发展，我国已编制完成 风力发电机组设计标准 与认证标准，即陆上 风力发电机组设计标准 上风力发电机组设计标准 31517，及风力发电机组 认证标准 25458。 25458推荐风力发电机组 制造商 在 机组 设计时采用 等同 于国标或更高要求 的设计 标准。 为使风力发电机组能适应不同的风场环境条件，风力发电机组 制造商 在依据上述设计标准基础上，特殊情况下还考虑如低温特性、高原特性及台风等环境因素，因此评估人员在 开始设计 评估前，应先了解 待评估 机组的设计标准及其适用环境，以便在 设计 评估过程中考虑涉及到的 一些 特定要求。 关键结构件 的 设计评估工作分为两个 阶段 ：第一 阶段 是 设计评估 资料的评审；第二 阶段 是必要的关键结构件静强度与疲劳强度独立并行计算。 料要求 申请人 须按照认证机构规定的要求提交 设计评估 资料。 对于铸件、锻件及焊接结构件，应提交 以下 文件： 1) 零 部 件图纸； 2) 设计技术规范； 3) 强度分析报告； 4) 有限元模型 （如适用） 。 审目的 设计评估 资料 的 评审目的： 1) 检查 设计评估 资料的完整性； 2) 检查引用标准 的 有效 性 ； 3) 检查 图纸与设计技术规范中 对于 关键结构件技术要求规定 的完整性 ，并 确认 符合引用标准 要求； 4) 检查 强度 分析过程的 合理 性及 计算结果 的符合性 ； 5) 检查 材料牌号、材料性能、图纸编号等关键信息在各设计文件中表述的一致 性 。 整性检查 按 照 认证机构要求提交的 设计评估 资料构成了对关键结构件设计 全面的 技术规定，在设计评估过程中缺一不可。 申请人 提交 设计评估 资料后，评估人员应先 根据设计评估资料 清单要求检查 提交的 资料 是否齐全，报告是否完整， 如发现有缺失情况，应及时给出反馈意见，通知 申请人 补充提交。 6 图纸评审 为适应不同制造阶段的需要，铸件、锻件 及 焊接件 一般都 具有几种不同功能作用的 零件图，如机械加工图、无损探伤图及防腐涂层图等 。每 一 种图 纸 中，除了基本的规定要求以外，在其技术要求一栏中会补充必要的技术要求说明，且根据材料不同，规定要求也不同。 除了上述 铸件、锻件 及 焊接件 等的零件图，因认证机构了解机组结构组成及在设计评估第二阶段执行独立并行计算需要，申请人还应提交这类关键结构件相关的部件装配图。 零件图的 评审目的： 检查 尺寸公差、形位公差及关键位置表面粗糙度 等的 设计 合理性 ； 检查关键结构件与其相邻结构件之间的 尺寸匹配性 ； 检查无损探伤图中设定质量等级与强度分析报告中设定质量等级的一致性； 检查关键结构件 表面防腐措施 与设计要求及有关标准的符合性； 检查 图纸 中 所 规定技术要求内容 的 完整 性。 部件装配图的评审目的： 检查关键部位配合公差的合理性； 检查关键结构件有限元整体模型与其部件装配结构的相似性。 铸件图纸 铸件 应 包括机械加工图、无损探伤图及防腐涂层图。 铸件机械加工图主要规定了其在室温 C20 下的机加工尺寸及其公差、形位公差、表面粗糙度等方面的要求。 铸件机械加工图技术要求一栏应包括 但不限于 以下规定（数值仅供参考，下同）： 铸件不得有影响使用性能的铸造缺陷（裂纹、缩松、冷隔、缩孔、夹渣等）存在，不允许存 在能加工去除的表面缺陷； 未注粗糙度要求 50 未注过渡圆角要求 5030 未注工艺圆角 10R ； 铸件尺寸公差按 6414 未注尺寸公差按 1804 未注形位公差按 1184 铸件重量公差按 11351 未注拔模斜度要求 53 。 铸件的无损探伤图 应说明铸 件的探伤 方式 与 质量 等级要求 ，且质量等级 要求 应不低于 该 铸 件强度分析 过程中所假设的无损探伤质量等级要求 。 铸 件表面施加防腐涂层的目的是为了实现在其规定设计寿命内避免表面发生严重腐蚀情况而 导致结构 破坏 。 在防腐涂层图的技术要求中 应 说明所 要求达到的防腐等级及所 采取的防腐措施：如防腐涂层数、涂层 牌号 、涂层厚度、涂层颜色，及喷涂前表面处理要求等信息。这 类 信息也可在设计技术规范中 予以 说明。 件图纸 锻件 一般仅 机械加工图 ， 防腐涂层 要求见技术规范。 锻件机械加工图主要规定了其在室温 C20 下的机加工尺寸及其公差、形位公差、表面 粗糙度等方面的要求。 锻件机械加工图技术要求一栏中应包括 但不限于 以下规定： 过渡圆弧需做抛光处理，表面粗糙度 6.1适用）； 未注尺寸公差按 1804 未注形位公差按 1184 未注倒角 453 ； 机加工后必要的防锈措施要求 。 接件图纸 焊接件 应 包括焊接图、 机械 加工图及防腐涂层图。 焊接图 应包括 该 焊接 件 的焊缝位置、焊缝尺寸、焊缝形式 及 每条 焊缝的无损检测要求 等 。 焊接图技术要求一栏中应包括 但不限于 以下 规定 ： 所有钢板应平整； 钢板落料后应去除毛刺； 钢板、型钢焊前应按照规定焊缝要求开相应坡口； 各坡口在焊接之前必须进行除锈处理； 焊材要求，如按照 10045使用 某些厚钢板的预热要求； 未注焊接尺寸要求，如按 19804 未注焊接直线度、平面度和平行度要求，如按 19804 焊后清理要求； 焊后的去除残余应力方式。 焊接件机械加工图主要规定其在室温 C20 下的机加工尺寸及其公差、形位公差、表面粗糙度等方面的要求。 焊接 件 机械加工图技术要求一栏中应包括 但不限于 以下 规定 ： 未注尺寸公差按 1804 未注形位公差按 1184 机加工后去除尖角、毛刺； 锐角倒钝等。 焊接件 的 防腐涂层图参照铸件防腐涂层图说明。 7 设计技术规范 评审 设计技术规范 应 规定 关键结构 件 的材料牌号、化学成分、机械性能、金相组织、尺寸检查、探伤检测、 防腐、标志、包装、储存及运输等方面的要求。 铸件 设计技术规范 铸件设计技术规范 应包括 但不限于 以下规定： 适用环境条件； 材料牌号及依据标准； 材料机械性能要求，一般包括材料屈服强度、抗拉强度、表面硬度、低温抗冲 击性能、断面收缩率，延伸率等； 化学成分与金相组织要求； 铸造质量：表面缺陷、内部缺陷、金属夹杂物，球化率、铁素体含量、珠光体含量 石墨尺寸大小等方面要求； 附铸试块位置或取样位置； 表面处理工艺及其要求，一般包括粗糙度与清洁度； 防腐措施； 产品检验要求，包括无损探伤人员资格要求； 标志、包装、储存、运输要求； 11 质量文件要求。 锻件设计技术规范 锻件 设计技术规范 应包括 但不限于 以下规定： 适用环境条件； 材料牌号及依据标准； 材料机械性能要求，一般包括材料屈服强度、抗拉强度、表面硬度、低温 冲击功 、断面收缩 率，延伸率等； 化学成分与金相组织要求； 质量要求：包含表面缺陷、内部缺陷及熔渣等的质量等级要求； 无损探伤要求； 热处理； 防腐措施； 产品检验要求，包括无损探伤人员资格要求； 与相邻连接零件接口形式、配合尺寸及公差要求； 11 标志、包装、储存、运输要求； 12 质量文件要求。 焊接件设计技术规范 焊接件 设计技术规范 应包括 但不限于 以下规定： 适用环境条件； 材料牌号及依据标准； 材料机械性能要求：如碳当量、低温冲击功、钢板厚度方向性能、断面收缩率等； 化学成分要求； 钢板质量等级要求，包含表面缺陷、内部缺陷的质量等级要求； 焊接准备工作； 焊缝检测； 焊接后处理； 防腐措施； 产品检验要求，包括无损探伤人员资格要求； 11 标志、包装、储存、运输要求； 12 质量文件要求。 评估人员应就上述内容 作逐 一检查 ，确保设计技术规范 包含技术要求内容 完整， 并符合有关引用标准 规定 要求。 申请人在风力发电 机组设计 时 如采用 相关技术要求应不低于 国标 规定 要求。 8 强度分析报告 评审 关键结构件强度分析报告 建议 依据图纸与 设计 技术规范要求 采用 有限元 法 进行计算 并根据计算结果 编制 报告 ， 强度分析 包括静强度分析与疲劳强度分析。 度分析 报告内容完整性 强度分析报告应包括 但不限于 以下规定： 分析对象介绍； 分析使用软件及版本信息； 坐标系介绍； 载荷来源； 建模说明，包括材料特性、单元类型、载荷施加位置、约束边界条件等； 有限元模型简化说明； 有限元模型反作用力验证； 有限元模型错误与警告单元检查； 12个关键 单位载荷应力结果 显示，如第一主应力与第三主应力 ； 12个关键 单位载荷变形结果显示； 0 11 极限工况载荷作用下的应力结果 显示 ； 12 疲劳强度分析过程简述； 13 疲劳强度分析关键输入参数数值； 14 S/ 15 疲劳 强度计算 结果； 16 参考文件等； 限元模型检查 有限元模型检查的主要目的是 确认申请人 提 交 的有限元模型与 其 强度分析报告 中所描述有限元模型的 一致 性 。 有限元模型检查主要包括下列内容： 坐标系； 使用单元； 使用 的 单位 类型 ； 模型简化合理性； 相关单元实常数值 ，如适用 ； 有限元模型尺寸； 网格划分质量； 轴承的非线性特性，如适用； 接触对设置情况； 载荷施加 方式、 位置及载荷施加点的坐标方向； 11 边界 条件 ； 12 警告和错误单元； 13 单位载荷作用下的反作用力检查； 14 求解器设置。 评估人员应就上述内容 作逐 一检查，如发现与 图纸或 强度 分析 报告 中的描述 有不符合情况，应 反馈给申请人并要求其予以说明 。必要情况下， 申请人应改进有限元模型并更新报告 。 9 独立并行计算 在完成设计评估 资料评审 后 ， 评估人员 在 此 基础上，对关键结构件进行必要的独立并行计算， 即根据关键结构件 的 设计输入对 其 强度分析结果 通过独立并行计算进行 验证 ，确认该 关键结构件强度满足 设计要求 。 1 评估人员执行 独立并行计算 时 可使用 申请人 提交的有限元模型， 但 应 当 对 有限元模型进行 必要的修改，如删除并重建 各 接触 对、删除并重建 边界 约束 条件 、 使用不同方法传递远程力等。评估人员应对有限元模型的修改 情况 予以记录， 并将其纳入到根据 独立并行计算 结果编制的 报告 中 。 独立并行计算时 应使用认证机构 载荷评估人员计算验证后 的载荷。 铸件与锻件疲劳强度 分析 中使用的 S/合方法推荐 依据 焊接件 推荐 使用 。 疲劳损伤依据 静强度与疲劳强度独立并行计算结果均 满足 设计要求时， 最终 设计评估结果为 合格 ！ 关键结构件静强度与疲劳强度分析 流程与要点 介绍见附录 A. 有限元法介绍见附录 B。 2 附录 A：关键结构件静强度与疲劳强度 计算 介绍 关键结构件的静强度与疲劳强度计算结果取决于关键结构件以下四个方面 因素 ： 材料 技术要求 载荷 条件 几何形状与尺寸 强度 计算 在风 力发 电机组各种设计状态即发电、发电兼有故障、启动、正常 停 机、紧急 停 机以及运输、组装、维护等情况下出现 的 极限 工况 载荷 可能会 对结构 件 不同部位造成 不同程度的损伤，故应 对关键结构件在各 种 极限工况载荷作用下 的 受力情况进行计算。 评估人员按照 在 该模型 载荷施加点输入极限工况载荷，设置 好 求解器 后直接 进行求解 即可 。 对于 塑性材料 ，一般利用 最大剪切应变能 假设对计算结果进行判断 ；对于 半塑性 材料一般利用最大剪切应变能 假设 或最大主应力 假设对计算结果进行判断 。使用塑性或半塑性材料的关键结构件 局部位置，允许的弹塑性总应变 不大于 1%。 对于脆性材料，一般利用 最大主 应力假设对计算结果进行判断 。 对于焊接件，推荐依据 为极限应力值。 3 劳强度计算 流程及要点 1） 铸件与锻件 疲劳强度 计算 流程 图 1 2） 疲劳寿命计算应力假设 最大主应力假设： ),m a x(321m a x ),(a x 关键面法： 2s i o 222v Ss 3） 安全系数选取 依据 标准引入了风机零件安全等级系数n。 劳载荷 单位应力结果 线 材料性能 安全系数 应力假设 雨流计数 等修正系数， , 疲劳损伤计算 平均应力修正 则 载荷仿真 应力时序 评估通过 评估不通过 1D？ 有限元模型 4 一类零件安全系数：用于“失效 键结构件，关键结构件失效不会导致机组主要零部件的失效。例如带有监控的可替换轴承。 二类零件安全系数：用于“非失效 键结构件，关键结构件失效会导致机组主要零部件失效。 三类零件安全系数：用于“非失效 械件，机械部件把执行机构和制动器与主要关键结构件连接起来，以执行风力发电机非冗余的保护功能。 本指南涉及关键关键结构件属于第二类， n取值具体见该标准第 材料安全系数： 1.1m 4） 铸 件与 锻 件 的 S/ 关键 输入 参数 本指南推荐铸件与锻件的 S/键输入参数见表 1。 表 1 5） 焊接关键结构件疲劳分析 与 1） 明确 的 结构热点应力定义 ； 2）推荐有焊缝建模方法；3） 热点应力插值计算详细说明 ； 4）