一种用于风电机组主机架计算的制动卡钳建模方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种用于风电机组主机架计算的制动卡钳建模方法。

背景技术

主机架是风力发电机组中的重要零部件之一，其应力水平直接影响着整机的安全性，而主机架应力的计算是基于有限元进行。主机架有限元模型包括主机架、主轴、扭力臂、轴承座、偏航电机、偏航轴承、制动盘、制动卡钳、塔筒、弹性支承、齿轮箱扭力臂等。制动卡钳作为风电机组偏航系统的重要组成部件，在有限元建模时如何正确的建立制动卡钳的模型是主机架计算中一个至关重要的因素。制动卡钳活塞缸中碟簧或者液压装置提供预压力作用于下垫块，并通过下垫块作于制动盘，通过下垫块和制动盘之间摩擦力来抵抗主机架的扭转运动，从而达到制动的效果。以往的建模方式往往忽略了活塞缸的预压力，直接将摩擦垫块与制动盘绑定连接，或者将制动卡钳耦合到制动盘中心建立扭转弹性单元的方式模拟制动卡钳的制动效果，但是这种方式往往忽略了制动卡钳工作时的真实状态，导致偏航扭矩分配的错误，进而导致载荷传递不正确，影响了主机架计算的正确性和精确性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的一种用于风电机组主机架计算的制动卡钳建模方法，以解决现有建模方式忽略了活塞缸的预压力，导致偏航扭矩分配的错误，进而导致载荷传递不正确，影响了主机架计算的正确性和精确性的技术问题。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

一种用于风电机组主机架计算的制动卡钳建模方法，包括以下步骤：

分别构建制动卡钳本体、上摩擦片和下摩擦片三维模型；

基于所述制动卡钳本体、上摩擦片和下摩擦片装配以构建制动卡钳简化三维模型；

分别于上摩擦片与制动卡钳本体顶部之间，以及下摩擦片与制动卡钳本体底部之间，构建弹性单元以等效模拟制动卡钳活塞缸对摩擦片的预压力，以及模拟摩擦片与制动卡钳本体之间的滑动连接关系。

可选地，分别于上摩擦片与制动卡钳本体顶部之间，以及下摩擦片与制动卡钳本体底部之间，构建弹性单元以等效模拟制动卡钳活塞缸对摩擦片的预压力，以及模拟摩擦片与制动卡钳本体之间的滑动连接关系，包括：

所述弹性单元的数量与制动卡钳活塞缸的数量一一对应，所述弹性单元的设置位置与制动卡钳活塞缸的设置位置也一一对应，所述弹性单元的预压力为活塞缸的最大顶升力。

可选地，所述弹性单元的预压力为活塞缸的最大顶升力F，采用以下公式：

其中，d代表活塞缸的直径，p代表活塞缸的活塞压力。

可选地，分别于上摩擦片与制动卡钳本体顶部之间，以及下摩擦片与制动卡钳本体底部之间，构建弹性单元以等效模拟制动卡钳活塞缸对摩擦片的预压力，以及模拟摩擦片与制动卡钳本体之间的滑动连接关系，包括：

通过建立耦合点的方式，分别将位于制动卡钳上部的全部活塞缸及上摩擦片耦合至各自的中点，并于两耦合点之间构建第一弹性单元；

通过建立耦合点的方式，分别将位于制动卡钳下部的全部活塞缸及下摩擦片耦合至各自的中点，并于两耦合点之间构建第二弹性单元。

可选地，所述上摩擦片与制动卡钳上部之间还构建第一约束单元，以模拟上摩擦片与制动卡钳本体之间的滑动连接关系；所述下摩擦片与制动卡钳下部之间还构建第二约束单元，以模拟下摩擦片与制动卡钳本体之间的滑动连接关系。

可选地，所述第一弹性单元和第二弹性单元均为线性弹簧单元。

可选地，还包括：于所述摩擦片和制动盘之间建立标准接触，摩擦系数基于制动卡钳的技术协议设置。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果：

本发明提供一种用于风电机组主机架计算的制动卡钳建模方法，包括以下步骤：分别构建制动卡钳本体、上摩擦片和下摩擦片三维模型；基于所述制动卡钳本体、上摩擦片和下摩擦片装配以构建制动卡钳简化三维模型；分别于上摩擦片与制动卡钳本体顶部之间，以及下摩擦片与制动卡钳本体底部之间，构建弹性单元以等效模拟制动卡钳活塞缸对摩擦片的预压力，以及模拟摩擦片与制动卡钳本体之间的滑动连接关系。本发明，通过弹性单元等效模拟制动卡钳活塞缸对摩擦片的预压力，有效模拟了摩擦片上下运动的制动卡钳真实工作状态，补充了现有技术在建立偏航系统建模时的不足，完善了制动卡钳细节建模方式，建立了载荷在偏航系统传递的正确方式，使得风电机组主机架计算时有限元结果更加可靠、可信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一种用于风电机组主机架计算的制动卡钳建模方法流程图；

图2为制动卡钳简化模型；

图3为制动卡钳另一实施例的简化模型；

图中：1-摩擦片、2-弹性单元、3-活塞缸、4-耦合点。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

请参阅图1，本发明提供一种用于风电机组主机架计算的制动卡钳建模方法，包括以下步骤：

S1、分别构建制动卡钳本体、上摩擦片和下摩擦片三维模型；

S2、基于所述制动卡钳本体、上摩擦片和下摩擦片装配以构建制动卡钳简化三维模型；

S3、分别于上摩擦片与制动卡钳本体顶部之间，以及下摩擦片与制动卡钳本体底部之间，构建弹性单元以等效模拟制动卡钳活塞缸对摩擦片的预压力，以及模拟摩擦片与制动卡钳本体之间的滑动连接关系。

针对弹性单元的构建，本申请提供两种弹性单元的构建方法，具体如下：

方法一：

所述弹性单元的数量与制动卡钳活塞缸的数量一一对应，所述弹性单元的设置位置与制动卡钳活塞缸的设置位置也一一对应，所述弹性单元的预压力为活塞缸的最大顶升力。其中，所述活塞缸的最大顶升力F，采用以下公式：

其中，d代表活塞缸的直径，p代表活塞缸的活塞压力。

方法二：

通过建立耦合点的方式，分别将位于制动卡钳上部的全部活塞缸及上摩擦片耦合至各自的中点，并于两耦合点之间构建第一弹性单元和第一约束单元；通过建立耦合点的方式，分别将位于制动卡钳下部的全部活塞缸及下摩擦片耦合至各自的中点，并于两耦合点之间构建第二弹性单元和第二约束单元。其中，所述第一弹性单元和第二弹性单元均为线性弹簧单元。

作为对上述方案的进一步改进，所述制动卡钳建模方法还包括：于所述摩擦片和制动盘之间建立标准接触，摩擦系数基于制动卡钳的技术协议设置，以便于更准确地模拟载荷传递。

本发明，通过分别构建制动卡钳本体、上摩擦片和下摩擦片三维模型并以约束关系完成装配，再通过构建弹性单元等效模拟制动卡钳活塞缸对摩擦片的预压力，以及模拟摩擦片与制动卡钳本体之间的滑动连接关系，有效模拟了摩擦片上下运动的制动卡钳真实工作状态，补充了现有技术在建立偏航系统建模时的不足，完善了制动卡钳细节建模方式，建立了载荷在偏航系统传递的正确方式，使得风电机组主机架计算时有限元结果更加可靠、可信。

本发明还提供一种用于风电机组主机架计算的建模方法，包括如下步骤：

S11、获取用于主机架计算的三维模型，所述模型包括主机架、主轴、扭力臂、轴承座、偏航电机、偏航轴承、制动盘、制动卡钳、塔筒、弹性支承、齿轮箱扭力臂等；

S21、根据步骤S11的几何模型进行装配，并对制动卡钳进行三维模型简化，保存成有限元软件能够识别的文件类型，简化的制动卡钳模型包括：制动卡钳本体、上摩擦片和下摩擦片，如附图2所示；

S31、每个制动卡钳有上下各3个共6个活塞缸，根据制动卡钳活塞缸的直径d和压力p计算得到每个活塞缸对制动盘的预压力即活塞缸的顶升力F；

S41、简化制动卡钳有限元模型有两种简化方法：

第一种方法是根据制动卡钳活塞缸的活塞缸数简化成等活塞缸的模型，并通过施加弹性单元来模拟活塞缸的对摩擦片的预压力，每一根弹性单元的预压力为活塞缸的最大顶升力,摩擦片与缸壁采用无摩擦的接触方式；

第二种方法是将所有的活塞缸耦合到一起，通过建立MPC184(约束单元) 和弹性单元并联的方式建立制动卡钳模型，如图3所示。具体地，ansys(有限元分析软件)中通过建立Remote point(耦合点)的方式将活塞缸和摩擦片分别耦合到各自的中点，在两个耦合点之间并联一个combin14(线性弹性单元单元)单元和MPC184单元实现第一种方法中摩擦片沿缸壁上下滑动以及施加弹性单元的效果。具体地，abaqus(有限元分析软件)中可通过建立cuppling(耦合)的方式建立耦合,在两个耦合点之间建立translator(连接器)的方法实现此效果；利用MPC184和COMBIN14单元并联，减小了网格数量，减少了非线性接触边界，提高了有限元模型在计算时的收敛效率；

S51、偏航小齿轮与偏航轴承的齿轮啮合采用COMBIN39(非线性弹性单元单元)模拟，主轴承滚子以及偏航轴承滚子采用COMBIN39模拟，扭力臂与弹性支承座之间的连接采用bushing单元(可设置不同方向的刚度)模拟；

S61、建立摩擦片与制动盘之间建立标准接触，摩擦系数根据制动卡钳相关技术协议设置,主机架-轴承座、轴承座-主轴承、主机架-弹性支承座等接触采用绑定连接；

S71、载荷加载点为轮毂中心，通过建立轮毂中心点与主轴前端面建立耦合的方式，将载荷传递到机舱；

S81、提交计算。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。