一種輪轂與主軸端面無機富鋅漆漆膜的分析方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種輪轂與主軸端面無機富鋅漆漆膜的分析方法，用于漆膜厚度的設(shè)計計算和漆膜噴涂厚度的實際控制，防止因漆膜厚度設(shè)計或控制不當(dāng)而造成的漆膜破裂異響和摩擦系數(shù)下降而造成的重大事故的問題；漆膜厚度控制的計算步驟為：通過簡單的公式計算amax；式中，S為栓接面的接觸面積，N為栓接面的正壓力，f為栓接面的摩擦系數(shù)，E為無機富鋅漆的彈性模量，γ為無機富鋅漆漆膜表面能密度，β為π，amax為“裂隙”特征長度，即漆膜厚度。本發(fā)明運用簡單的公式就可以計算出無機富鋅漆漆膜厚度，有效地防范因MW級風(fēng)力發(fā)電機輪轂與主軸端面漆膜破裂異響而導(dǎo)致的高昂返修費用。
【專利說明】一種輪轂與主軸端面無機富鋅漆漆膜的分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種輪轂與主軸端面無機富鋅漆漆膜的分析方法，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 領(lǐng)域，也可用于橋梁、鉆井平臺等的無機富鋅漆栓接表面漆膜厚度的計算。

【背景技術(shù)】
[0002] 兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機中，輪轂與主軸端面為了防腐、導(dǎo)電和保持足夠的摩擦系數(shù)，目 前多數(shù)設(shè)計借用靜載的橋梁設(shè)計中使用的無機富鋅漆對輪轂與主軸端面進行噴涂。然而， 因兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪總成旋轉(zhuǎn)中存在較頻繁的沖擊載荷，如果噴涂無機富鋅漆漆膜厚 度不當(dāng)，會造成摩擦系數(shù)的下降，導(dǎo)致輪轂與主軸栓接端面不足以提供足夠的摩擦力，進而 導(dǎo)致漆膜破裂和異響的頻繁發(fā)生，當(dāng)漆膜破裂到一定程度而達到粉碎狀態(tài)時，就導(dǎo)致輪轂 與主軸端面聯(lián)接失效和連接螺桿的疲勞剪斷，從而，導(dǎo)致懸伸在80-100米高塔架外側(cè)2米 左右的幾十噸甚至上百噸的風(fēng)輪總成的墜落的重大事故發(fā)生。研究輪轂與主軸端面噴涂無 機富鋅漆漆膜厚度，對預(yù)防該類事故的發(fā)生有重要意義。但是目前并沒有一個有效地分析 漆膜厚度的方法，進而無法有效預(yù)防因漆膜破碎而造成的重大事故。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種輪轂與主軸端面無機富鋅漆漆膜的分析方法，用于漆膜 厚度的設(shè)計計算和漆膜噴涂厚度的實際控制，防止因漆膜厚度設(shè)計或控制不當(dāng)而造成的漆 膜破裂異響和摩擦系數(shù)下降而造成的重大事故的問題。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括：一種輪轂與主軸端面無機富鋅漆漆膜的分 析方法，包括以下步驟：
[0005] 1)根據(jù)樣件特征及試驗測試數(shù)據(jù)確定栓接面接觸面積、栓接面正壓力及栓接面摩 擦系數(shù)值。
[0006] 2)根據(jù)公式計算漆膜厚度值。
[0007] 漆膜厚度值的計算步驟為： 2 .S*Il· 9y
[0008] 米用計算公式：1=^7· ~^計算amax ; ^ \P*a,,,s
[0009]其中，S為栓接面的接觸面積，N為栓接面的正壓力，f為栓接面的摩擦系數(shù)，E為 無機富鋅漆的彈性模量，Y為無機富鋅漆漆膜表面能密度，β為n，amax為"裂隙"特征長 度，即滿足要求摩擦力Ff =f·N的最大漆膜厚度。 2SIE·V
[0010] 在計算漆膜厚度值的步驟之前，還包括以下步驟：在中代入已知 樣件的s、N的標定值，然后結(jié)合a、f的測定值以及β的固定值，計算出無機富鋅漆漆膜特 ，.S'I%y 性參數(shù)E·γ的值，將特性參數(shù)E·γ的值代入到計算公式+ 中。 Λ；V/y toon]本發(fā)明提供一種簡單有效的分析輪轂與主軸端面無機富鋅漆漆膜厚度的方法，通 過栓接面的接觸面積，栓接面的正壓力，栓接面的摩擦系數(shù)，無機富鋅漆的特性參數(shù)等數(shù) 據(jù)，運用簡單的公式就可以計算出無機富鋅漆漆膜厚度，有效地防范因MW級風(fēng)力發(fā)電機輪 轂與主軸端面漆膜破裂異響而導(dǎo)致的高昂返修費用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明對噴涂富鋅漆接觸表面的凸凹部分按固體內(nèi)原始"裂隙"處理的示 意圖；
[0013] 圖2是本發(fā)明對栓接接觸表面單元體通過莫爾作圖法對三向應(yīng)力計算的示意圖。

【具體實施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0015] 本發(fā)明的目的在于：針對MW級風(fēng)力發(fā)電機輪轂與主軸端面無機富鋅漆漆膜厚度 暫無設(shè)計計算方法以及無機富鋅漆實際噴涂厚度讓步監(jiān)控的現(xiàn)實需求，提出一種輪轂與主 軸端面無機富鋅漆漆膜的分析方法，用于漆膜厚度的設(shè)計計算和漆膜噴涂厚度的讓步計 算，防止因漆膜厚度設(shè)計或控制不當(dāng)而造成的漆膜破裂異響和栓接面摩擦系數(shù)下降而造成 的重大事故的問題。
[0016] 對于設(shè)計計算的依據(jù)，主要是通過保證一定的栓接面摩擦系數(shù)的前提下，尋找一 種栓接面間的漆膜厚度的工程計算方法，具體步驟如下：
[0017] 本發(fā)明的基本理論假設(shè)是將栓接表面假設(shè)為連續(xù)均勻、各向同性的彈性固體，其 中接觸表面的凸凹部分等效簡化為固體內(nèi)原始"裂隙"處理，如圖1所示。等效"裂隙"的 特征尺寸為a，剪切摩擦力使得等效"裂隙"兩側(cè)受拉，"裂隙"擴展方向沿最大壓應(yīng)力方向 (即本實施方式中的漆膜厚度方向）擴展，因此，"裂隙"兩側(cè)材料有共同的特性，設(shè)其彈性 模量為E，本實施方式按含鋅85%富鋅漆的主要成分鋅的彈性模量選取。
[0018]本發(fā)明中栓接面漆膜拉應(yīng)力O1與剪切應(yīng)力τ的關(guān)系，是依據(jù)材料力學(xué)中二向應(yīng) 力圓莫爾作圖法得到。方法如下：根據(jù)接觸面上的摩擦力與正壓力成正比的關(guān)系，設(shè)摩擦系 數(shù)為f，正壓力為Ν，由栓接面螺栓的預(yù)緊力和螺栓個數(shù)決定栓接正壓力N的大小，則摩擦力 f·'J Ff =f·Ν;由于摩擦力作用在栓接面接觸面積S上，則栓接面受到的剪切應(yīng)力T 由 材料力學(xué)中二向應(yīng)力圓莫爾作圖法，如圖2所示，可知剪切應(yīng)力在栓接平面內(nèi)沿45°方向 f . V 可分解為純拉應(yīng)力σ=7 = ￡__:_:!,,,,,,和壓應(yīng)力A=-γ= - S 一。
[0019] 本發(fā)明中摩擦系數(shù)f計算公式是依據(jù)斷裂力學(xué)中"裂隙"擴展與抑制的能量平衡 推導(dǎo)出來的。等效"裂隙"特征尺寸a受到拉應(yīng)力產(chǎn)生的變形能U= 3s:和維持"裂隙" 特征尺寸a不擴展的裂隙表面能Us=2Y·a。相互作用而得到，"裂隙"特征尺寸a不擴 r\ |γ-τ 展的條件是Δυ=Us-U> 0,將上述公式代入整理后可得：?^+7·^--^一廣。由此公式 Nyρ·α~ 可知，摩擦系數(shù)f在有栓接正壓力N作用的情況下，和接觸面積S、彈性模量E、等效"裂隙" 特征尺寸a、單位寬度上的"裂隙"表面能密度為γ(單位為J/m2)有關(guān)，其中表面能密度 Y，依據(jù)斷裂力學(xué)的定義，是由裂隙受拉應(yīng)力O1作用在形成過程中吸收的斷裂鍵能（相當(dāng) 于表面張力的維持能），在本發(fā)明的假設(shè)中，該"裂隙"表面能是富鋅漆噴涂及成膜過程的 自然形成的，由于栓接面正壓力的作用，"裂隙"表面尺寸a。增加，類似氣球的擠壓變形，表 面張力維持能Us= 2Y·a。(N)也將增加，由于a。彡a,a。=a。(N)，對上述公式可修訂為 。取漆膜不破裂的臨界條件AU=Us-U= 0,以及此時a、ac;(N)均可 N \ ρ·α~ 0 I/7 ? y 近似取最大值amax的條件，可得栓接面的摩擦系數(shù)，為敘述方便，以下簡化 為I13其中，選β為常量，E·γ為無機富鋅漆漆膜特性參數(shù)也可設(shè)為常量，公式可 進一步簡化為Γ=Κ. -，其中K
[0020] 本發(fā)明中，"裂隙"擴展方向沿最大壓應(yīng)力方向擴展，即漆膜厚度方向；等效"裂隙" 的特征尺寸是依據(jù)無機富鋅漆由表及里的成膜特點，以及干膜后的無機富鋅漆由于醇的揮 發(fā)及聚合物的收縮形成的多孔組織，最大孔深觸及基體表面，因此最大孔深與漆膜厚度相 當(dāng)，最大孔深就是能夠穩(wěn)定拉應(yīng)力σ的等效"裂隙"特征尺寸a_，從而可以通過計算特征 尺寸得到漆膜厚度。
[0021] 利用f=K·^^·，通過代入試驗室測量的摩擦力Ff =f·Ν、接觸面積S、漆膜厚 NVa 度a的已知測量值可計算無機富鋅漆的特性參數(shù)K。
[0022] 因彈性模量E、單位寬度上的"裂隙"表面能密度Y與無機富鋅漆的選材和涂覆工 藝有關(guān)，均屬于無機富鋅漆的一種特性值，試驗室中的接觸表面的無機富鋅漆彈性模量E1、 單位寬度上的"裂隙"表面能密度Y1，也應(yīng)與設(shè)計的栓接面接觸表面的無機富鋅漆應(yīng)具有 相當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ縀2、單位寬度上的"裂隙"表面能密度Y2,因此，可保證無機富鋅漆的特性 值E·Y近似，進而，得到恒定參數(shù)K。
[0023] 之后，可根據(jù)不同設(shè)計要求的摩擦系數(shù)f、栓接正壓力N、接觸面積S三個變量以及 參數(shù)κ，將公式γ=ι< 轉(zhuǎn)換為a=K2 · 進行漆膜厚度的計算。 NVaN-f-
[0024] 例如：對風(fēng)電齒輪箱輪轂與主軸端面涂富鋅漆厚度要求，某國外知名公司有關(guān)專 家曾要求對噴砂處理（粗糙度RzSOym)要求噴涂無機富鋅漆的厚度為50±10%μπι，但 理由沒有給出，而且，厚度±5μm的操作難易實現(xiàn)，約半年后，該知名公司給出厚度必須在 50-80μm的要求，設(shè)計要求是否合適，通過上述計算方法，驗算如下：
[0025] 本發(fā)明依據(jù)參考張雨田，脇山廣三的《涂無機富鋅漆高強螺栓連接的滑移和松 弛》中圖1、表4、表7,通過圖1可計算出實際栓接接觸表面面積，表4中的漆膜厚是通過 實際測量得出的，表4中的螺栓預(yù)壓力和數(shù)據(jù)表7數(shù)據(jù)抗滑移摩擦系數(shù)的是根據(jù)測量數(shù) 據(jù)進行換算的測算值，比如表4中的漆膜厚82.9μm，壓力33. 54t，和表7中對應(yīng)的抗滑 移摩擦系數(shù)μ= 0.722,以上數(shù)據(jù)都是已知的試驗數(shù)據(jù)記錄，再結(jié)合上述文獻圖例中栓 接面接觸面積1 = (55+80+80+55) *95 (mm2)及圖表中正壓力的數(shù)據(jù)NI= 33. 54t，用公式 /=f· :+|對無機富鋅漆的特性值Ε·γ進行計算，（注：選擇相同的β=π)得到Ε·γ =5. 5734e+009(Pa·J/m2) 〇
[0026] 按某國外某知名公司設(shè)計的麗風(fēng)機主軸與輪轂的有關(guān)數(shù)據(jù)，輸入接觸面積S= 0. 84 (m2)，接觸正壓力N= 48*535 (kN)，MW風(fēng)機主軸與輪轂最低摩擦系數(shù)要求0. 3后，依據(jù) ^ 452 Cl=K·，計算a，結(jié)果約 86μm。 N~f"
[0027] 因此，國外知名廠商設(shè)計要求的漆膜厚度必須在50-80μm的合適。實際噴涂漆膜 厚度的控制應(yīng)在86μm以內(nèi)。
[0028] 第二類可用于類比設(shè)計中漆膜厚度的指導(dǎo)：
[0029] 根據(jù)上述某國外知名公司研究的2麗風(fēng)機主軸與輪轂的漆膜厚度必須在 50-80μm的要求，取漆膜厚度最大值Eimax = 80μm，輸入接觸面積S= 0.84 (m2)，接觸正 壓力N= 48*535 (kN)，麗風(fēng)機主軸與輪轂最低摩擦系數(shù)設(shè)計要求0.3,（注：選擇相同 的β=π)用公式f=K [^對無機富鋅漆的特性值E·γ進行計算，得到E·γ= N \α 5. 2851e+009(Pa·J/m2)0
[0030] 那么，類比設(shè)計：某國外知名公司3MW風(fēng)機主軸與輪轂的漆膜厚度的計算，就可 輸入接觸面積S= 1. 36 (m2)，接觸正壓力N= 2*48*535 (kN)，MW風(fēng)機主軸與輪轂最低摩擦 4V2 系數(shù)要求3后，依據(jù)β=[2 ，計算a，結(jié)果約52. 48μm。
[0031] 這樣，顯然不適合控制，通過公式，我們可以增加a為80,f不變，s NVa 不變，N= 2*48*535 (kN)就可以變小，即減少螺桿數(shù)量，同時也降低了成本。
[0032]以上給出了具體的實施方式，但本發(fā)明不局限于所描述的實施方式。本發(fā)明的基 本思路在于上述基本方案，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，設(shè)計出各種變 形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費創(chuàng)造性勞動。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對 實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種輪轂與主軸端面無機富鋅漆漆膜的分析方法，其特征在于，所述分析方法包括 以下步驟： 1) 根據(jù)樣件特征及試驗測試數(shù)據(jù)確定栓接面接觸面積、栓接面正壓力及栓接面摩擦系 數(shù)值； 2) 根據(jù)公式計算漆膜厚度值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪轂與主軸端面無機富鋅漆漆膜的分析方法，其特征在于， 所述漆膜厚度值的計算步驟為： 采用計算公式：
^amax; 其中，S為栓接面的接觸面積，N為栓接面的正壓力，f為栓接面的摩擦系數(shù)，E為無機 富鋅漆的彈性模量，Y為無機富鋅漆漆膜表面能密度，β為n，amax為"裂隙"特征長度，即 滿足要求摩擦力Ff =f·N的最大漆膜厚度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的輪轂與主軸端面無機富鋅漆漆膜的分析方法，其特征在于， 在所述計算漆膜厚度值的步驟之前，分析方法還包括以下步驟：在中代入 已知樣件的s、N的標定值，然后結(jié)合a、f的測定值以及β的固定值，計算出無機富鋅漆漆 2.S*IF·，/ 膜特性參數(shù)E·γ的值，將特性參數(shù)E·γ的值代入到所述計算公式中。
【文檔編號】G06F19/00GK104318062SQ201410505746
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】黃愛武, 卓然 申請人:國家電網(wǎng)公司, 許繼集團有限公司, 許昌許繼風(fēng)電科技有限公司