4.0MW风电锁紧盘实验台的结构设计含CAD图
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4.0MW风电锁紧盘实验台的结构设计含CAD图,4.0,MW,风电锁紧盘,实验,结构设计,CAD
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应用科学文章多层接触压力算法考虑离心力和温度梯度的过盈配合白泽兵、王建梅*、柯宁、侯定邦太原科技大学重型机械教育部工程研究中心，太原030024；bai732844964(z.b.)；ningke0811(k.n.)； hdb13623664261(d.h.)*通讯:wjmhdb；电话:+86-186-3514-9106收到日期：2018年3月29日；接受：2018年4月23日；发布日期：2018年5月5日文摘：为了优化关于多层干涉柱接触压力和干涉量值的算法，考虑了离心力和温度梯度对多层干涉柱性能的影响。构建了离心力和温度梯度作用下多层干涉圆柱体接触压力和干涉量值的数学矩阵模型。建立了四种干涉圆柱体模型，并将采用有限元方法的数值解与解析解进行了比较。结果表明：多层干涉圆柱体各接触面的接触压力随转速增加而减小；接触压力的滑移率随转速的增加而增加；干涉柱在离心力作用下的最大径向位移发生在最外层。多层干涉圆柱体的接触压力随温度梯度的增大而线性减小。解析解与数值解基本一致，中点最大相对误差在两种因素下分别为11.62%和7.69%。这意味着该算法可以为考虑离心力和温度梯度的多层干涉圆柱体的设计提供理论指导。关键词：离心力；温度梯度；多层干涉柱；接触压力1.导言过盈配合具有结构简单、中性好、承载能力强、抗冲击能力好等优点,在机械工程中有着广泛的应用1。许多学者对过盈配合的算法和影响进行了大量的研究。Sogalad2研究了圆柱度和表面改性对过盈配合构件承载能力的影响。Zhang等人。3分析了不同影响因素对斜锥干涉配合动态性能的影响。与等径圆柱形过盈配合相比，过盈量大小对局部接触应力的影响是明显的。Wang等人。4,5提出了基于厚壁圆柱体理论的多层过盈配合的多种算法,并分析了多种因素对多层过盈配合性能的影响。McMillan6研究了干涉试件加载循环过程中扭矩增大的现象。通过建立循环磨损试验，扭矩增大的原因与过盈配合间的摩擦系数有关。该研究为过盈配合设计的优化提供了依据。基于干涉试样的几何缺陷和表面粗糙度，Boutoutaou H等人。7，8研究了其对过盈连接强度的影响。李J等人。9，10研究了干涉尺寸对碳纤维增强聚合物和钛合金螺栓微动疲劳寿命的影响。应用。SCI.2018，8726；DOI:10.3390/APP8050726/journal/applsci干涉元件通常工作在高速和温度场下，不同的转速和温度对干涉元件的性能有不同的影响。目前，已有一些学者在这些领域进行了一定的研究。例如，Kurvinen11研究了有无离心力时球轴承的动态特性和力学性能。Guo12建立了基于离心力和轴承内圈温度的位移数学模型，并与轴承动力学模型耦合，研究了轴承过盈配合的变化规律及其对主轴系统动力学的影响。结果表明，初始干涉量值会随着温度升高和离心力的联合影响因素而增大，并最终导致轴承刚度的增大。丁13分析了转子与永磁体干涉大小和应力的计算方法，建立了有限元模型进行应力分析，并对结果进行了比较。Zhou建立了三维单层过盈圆柱体模型，分析了离心力对过盈配合的影响。邱等人。15提出了多接触、多温度下多层过盈配合接触压力和应力的计算算法。利用有限元方法建立了一个发动机曲轴轴承壳体，验证了算法的正确性。而对过盈配合影响因素的研究主要集中在单层。目前多层过盈配合在工程中应用较多，例如风力机低速联轴器（图1)，可作为多层过盈缸的典型应用16。这里分析了离心力和温度梯度对多层干涉圆筒接触压力的影响。推导了多层干涉圆筒在离心力和温度梯度作用下的接触压力和干涉量值的矩阵模型。建立了四种干涉圆筒模型，分别分析了离心力和温度梯度对多层干涉圆筒性能的影响。通过对有限元数值法和解析法计算结果的比较，得到了多层干涉圆柱的一些结论。图1。风力机低速联轴器。2.多层干涉柱的算法根据拉梅方程，可求出圆柱内任意点的径向位移17:U=1a2p12ba22p2p+1+Ea2b2b（2 p1A 2 p2）p1（1）EB式中a为圆柱体的内半径，b为圆柱体的外半径，p为圆柱体任一点的半径，p1为圆柱体的内压，p2为圆柱体的外压，E为弹性模量，为泊松比。图2是过盈配合的两个气缸上的受力示意图。Ci定义为圆柱体I；Ci+1是柱面i+1；Pi-1为Ci的内压；pi为Ci与Ci+1之间的接触压力；Pi+1为Ci+1的外压；r1,i是Ci的内半径；r2，i是Ci的外半径；r2，i+1是ci+1的外半径；S是Ci与Ci+1之间的接触面。图2。干涉圆柱体的受力图。根据式(1)，可以得到多层干涉圆柱接触面径向位移之间的关系式。基于Ci与Ci+1的径向位移关系，可以得到一个多层干涉圆柱的矩阵模型为： = KpAmong them, = 1, 2, , nT, p =p1, p2, , pnT,(2) (K1,2 + K4,1)K2,200 K3,2(K1,3 + K4,2)K2,300K3,3(K1,4 + K4,3)K2,40K = .00K3,n2 (K1,n1 + K4,n2)0K3,n10000000 0 K2,n10 0 0.0K2,n(K1,n+ K4,n1)K3,n(K1,n+1 + K4,n)3.考虑离心力和温度梯度的算法3.1.离心力多层干涉缸常用于传递扭矩。高速下，离心力对多层干涉圆筒接触压力的影响不容忽视。根据弹性力学，在任意半径的极坐标径向平面上，将小单元作为微单元，其受力图如图3所示。图3。微型单元离心力的示意图。假设微单元的密度为0,微单元的离心力为：K = 20(3)微单元的平衡微分方程为18:d + 2= 0(4)+ 0d根据几何方程,径向应变和周向应变分别为：duu = , = d (5)可以得到微单元的径向应力和周向应力： （6）用位移表示的平衡微分方程可根据式（4）-（6）得到。d2u1 duu1 22(7)+ = 0 d d 2 E假定Ln，i为离心力引起的径向位移，n=1或2，i=1，2，3，.；n=1表示内表面，n=2表示外表面；我是说汽缸号。将式（8）转化为直径方向，圆柱Ci外表面基于离心力的径向位移示为：L2,i（9）类似地，基于离心力的圆柱体Ci+1的内表面的径向位移示出为：L1,i+1=G1,i+1？2（10）根据式(2)、(9)、(10)，可以得到多层干涉柱在离心力作用下干涉大小的矩阵模型：ffi = Kp + G2(11)其中，G=G1,2-G2,1,G1,3-G2,2,G1,N+1-G2,NT。3.2.温度梯度温度分布函数如19:t = ta +tb taln(/r1) (12)ln(r2/r1)当汽缸受热膨胀时，任意一点的位移如图所示：ui (13)根据式（12）和式（13）可得到气缸热膨胀引起的位移：tb ta 1)(14)ui = ta +(lnln(b/a)a其中a为热膨胀系数，ta为圆柱体内表面温度，tb为圆柱体外表面温度。假设Qn，i是温度引起的径向位移，tn，i是圆柱体表面温度。将Ci参数代入式（14）中，可得到圆柱体Ci外表面在温度作用下的径向位移：Q2,i (15)同样，圆柱体Ci+1内表面在温度下的径向位移示为：Q(16)温度梯度作用下多层干涉圆柱体接触面的位移表现为：Qi（17）根据式(2)、(17)，多层干涉柱在温度梯度下的干涉量级矩阵模型示为： = Kp+Q(18)并且，Q=Q1,2Q2,1,Q1,3Q2,2,Q1,N+1Q2,NT。4.有限元模型在此，用钢材料构造了C1、C2、C3、C4、C5五个圆柱体，多层干涉圆柱体模型由M1、M2、M3、M4四个干涉圆柱体组成。模型的相关参数见表1。表1。模型参数。气缸号C1C2C3C4C5内径(mm)100200300400500外径(mm)200300400500600高度(mm)150弹性模量206 GPa泊松比0.3密度7800千克/立方米线膨胀系数1.1105根据国家标准GB/T1800.4-1999，最大干扰量C1和C2为0.195mm,C2和C3为0.272mm,C3和C4为0.330mm,C4和C5为0.400mm。模型M1、M2、M3、M4如图4所示。图4。多层干涉柱模型。由式（11）和式（18）可分别求出基于离心力和温度梯度的多层干涉圆柱体各表面的接触压力。为验证其正确性,分析离心力和温度梯度对接触压力的影响,利用有限元软件ABAQUS6.14建立了M1、M2、M3、M4的三维模型。对每个界面采用“惩罚型”摩擦系数公式，摩擦系数为0.15。图5a是以M4为例的边界条件，利用该边界条件固定圆柱C1的位移(U1=U2=U3=0)，并施加旋转体力，然后建立不同的速度梯度，得到离心力作用下多层干涉圆柱接触压力的数值解。图5B是具有三维网格的模型20。在图6中，以M4为例，对每个圆柱体的内外表面施加梯度温度。图5。多层干涉圆柱体三维模型，(a)边界条件图；(b)网格划分图。图6。M4的温度梯度。5.结果和讨论5.1.离心力的影响在高速条件下，多层干涉缸必须保证接触压力始终大于最小接触压力以传递所需扭矩21。根据式(11)，可以在0、200、400、600rad/s四个旋转梯度下得到接触面之间的接触压力。结果如图7所示。图7。各模型在离心力作用下的接触压力。如图7所示，多层干涉圆柱体的接触压力随转速的增加而减小。对于同一层，接触压力滑移速率在400 rad/s之前较慢。当转速达到600拉德/秒时，接触压力会显著下降。分析四种模型，随着干涉层数的增加，相同接触面之间的接触压力显著上升，接触压力由内向外逐渐减小22，即p1p2p3P4。结果表明，最外表面的接触压力最小。在离心力的影响下，最外层接触压力更容易降低到临界值以下，从而造成外层过盈部件松动，扭矩传递失效。为了进一步探讨离心力对多层干涉圆柱体接触压力的影响，分别对M4模型接触面的接触压力进行了分析。在图8中，与M4的接触压力p1、p2、p3、p4相比，接触压力的落差随速度的增加由内向外减小。p1为176134 MPa；p2为153116MPa；p3为9265MPa；p4为44 MPa至29 MPa。结合表2，同一表面的接触压力斜率随速度的增加而逐渐增大。例如，当转速为0拉德/秒时，p1的斜率为0.024，当转速达到600拉德/秒时，斜率增大到0.119。图8。M4在不同转速下的接触压力。表2。p1随速度增加的斜率。比较参数数值转速（rad/s）0200400600接触压力（MPa）176172158134坡度0.0240.0480.0950.119在离心力作用下，多层干涉圆柱体的接触面会产生不同程度的变形，这是造成接触压力变化的根本原因。随着速度的增加，接触面间的干涉状态逐渐减小。在图4中，M4型号的C1缸受到其他四个缸的挤压，因此干涉状态最好。圆柱体C5位于最外层，接触压力最小，导致干涉状态最差。这说明在速度足够大的情况下，最外接触面最容易脱离。为了验证离心力作用下多层干涉圆柱矩阵模型的准确性，以模型M4为例，将其解析解与600rad/s下的数值解进行比较，结果如图9所示。图9。数值解与解析解的比较。图9中，离心力作用下接触压力p1、p2、p3、p4的数值解逐渐减小，与解析结果相符合。在不考虑圆柱体两侧应力集中的情况下，在轴向距离为25-115毫米时，数值解与解析解吻合较好。中点最大相对误差为11.62%，在设计允许范围内。5.2.温度梯度的影响由式（15）和式（16）可知，多层干涉圆柱体各接触面的接触压力受内外表面温度的影响。图6通过施加内、外表面温度，分析了温度梯度对多层圆筒接触压力的影响，然后通过数值解与解析解的比较，验证了矩阵模型。根据表3，在内外表面之间分别施加温度梯度，温度梯度逐渐增大。最终模拟分析了相同温度梯度对多层干涉圆柱体接触压力的影响。表3.模型温度梯度参数。Ci内表面/Ci外表面内、外表面温度T/T+？T运动(c)01020304050图10是模型M1、M2、M3、M4在不同温度梯度下的接触压力图。结果表明，多层干涉圆柱体的接触压力随温度梯度的增大而减小，这与离心力的大小相一致。图10。各模型在温度梯度下的接触压力。如图11所示，M4型的接触压力p1、p2、p3、p4随温度梯度的增大呈线性减小，变化率从p1到p4依次减小，说明温度梯度会降低多层干涉缸的干涉量级，从而影响多层干涉部件扭矩传递的性能。图11。接触压力与相同温度梯度的关系。为了验证温度梯度作用下任意多层干涉圆柱体接触压力与干涉幅度关系式的正确性，对比分析了温度梯度作用下数值解与解析解的相对误差。结果如表4所示。表4.解析解和数值解的结果。接触压力（MPa）P1P2P3P4解析解169.374147.05988.40840.801数值解法172.561146.76895.78341.929相对误差1.85%0.198%-7.69%-2.69%表4显示解析解与数值解基本一致。最大相对误差仅为7.69%，在设计允许范围内。因此，温度梯度作用下多层干涉圆柱体的矩阵模型具有较高的精度。6.结论建立了离心力和温度梯度作用下多层干涉圆筒的矩阵模型和有限元模型,分析了这两个因素对多层干涉圆筒接触压力的影响,验证了该算法适用于实际设计。具体结论如下：(1) 基于弹性力学和厚壁圆筒理论，推导了多层干涉圆筒在离心力和温度梯度作用下的接触压力与干涉量关系的矩阵模型。(2) 离心作用下多层干涉圆柱体的接触压力随转速的增大而减小，曲线斜率随转速的增大而增大。接触面径向位移最大值出现在干涉柱的最外层。在同一模型中，接触面径向位移由内向外逐渐增大。多层过盈配合设计时应根据离心力的大小对过盈量进行补偿。(3) 在不考虑应力集中的情况下，数值解与解析解吻合较好。即使中点最大相对误差为11.62%，也保持在设计允许范围内，说明离心力作用下多层过盈配合的矩阵模型可供设计参考。(4) 多层干涉圆柱体的接触压力随温度梯度的增大而线性减小。温度梯度下解析解与数值解的最大相对误差为7.69%，在允许的设计范围内。表明相同温度梯度下多层过盈配合的矩阵模型可供借鉴。作者供稿：Z.B.和J.W.构思研究方向，撰写论文；K.N.设计有限元模拟；Z.B.和K.N.分析了数据；D.H.收集了相关信息。鸣谢：本工作得到了国家科学基金项目（编号U1610109和51505475)、山西省自然科学基金项目（编号201601D011049)、山西省重点研发项目（编号201603D111017)、太原重型机械装备协同创新中心省级专项基金（1331项目）的资助。利益冲突：提交人声明没有利益冲突。参考文献1. 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