一種輪轂與主軸端面無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜的分析方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種輪轂與主軸端面無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜的分析方法，用于漆膜厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算和漆膜噴涂厚度的實(shí)際控制，防止因漆膜厚度設(shè)計(jì)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(wèn)題；漆膜厚度控制的計(jì)算步驟為：通過(guò)簡(jiǎn)單的公式計(jì)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(wú)機(jī)富鋅漆的彈性模量，γ為無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜表面能密度，β為π，amax為“裂隙”特征長(zhǎng)度，即漆膜厚度。本發(fā)明運(yùn)用簡(jiǎn)單的公式就可以計(jì)算出無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜厚度，有效地防范因MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂與主軸端面漆膜破裂異響而導(dǎo)致的高昂返修費(fèi)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種輪轂與主軸端面無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(tái)等的無(wú)機(jī)富鋅漆栓接表面漆膜厚度的計(jì)算。

【背景技術(shù)】
[0002] 兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)借用靜載的橋梁設(shè)計(jì)中使用的無(wú)機(jī)富鋅漆對(duì)輪轂與主軸端面進(jìn)行噴涂。然而， 因兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪總成旋轉(zhuǎn)中存在較頻繁的沖擊載荷，如果噴涂無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜厚 度不當(dāng)，會(huì)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(jìn)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(dá)到粉碎狀態(tài)時(shí)，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?lài)嵉娘L(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(wú) 機(jī)富鋅漆漆膜厚度，對(duì)預(yù)防該類(lèi)事故的發(fā)生有重要意義。但是目前并沒(méi)有一個(gè)有效地分析 漆膜厚度的方法，進(jìn)而無(wú)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(wú)機(jī)富鋅漆漆膜的分析方法，用于漆膜 厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算和漆膜噴涂厚度的實(shí)際控制，防止因漆膜厚度設(shè)計(jì)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(wèn)題。
[0004] 為實(shí)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(wú)機(jī)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(yàn)測(cè)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(jì)算漆膜厚度值。
[0007] 漆膜厚度值的計(jì)算步驟為： 2 .S*Il· 9y
[0008] 米用計(jì)算公式：1=^7· ~^計(jì)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(wú)機(jī)富鋅漆的彈性模量，Y為無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜表面能密度，β為n，amax為"裂隙"特征長(zhǎng) 度，即滿(mǎn)足要求摩擦力Ff =f·N的最大漆膜厚度。 2SIE·V
[0010] 在計(jì)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(biāo)定值，然后結(jié)合a、f的測(cè)定值以及β的固定值，計(jì)算出無(wú)機(jī)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(jì)算公式+ 中。 Λ；V/y toon]本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單有效的分析輪轂與主軸端面無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜厚度的方法，通 過(guò)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(wú)機(jī)富鋅漆的特性參數(shù)等數(shù) 據(jù)，運(yùn)用簡(jiǎn)單的公式就可以計(jì)算出無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜厚度，有效地防范因MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪 轂與主軸端面漆膜破裂異響而導(dǎo)致的高昂返修費(fèi)用。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是本發(fā)明對(duì)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(duì)栓接接觸表面單元體通過(guò)莫爾作圖法對(duì)三向應(yīng)力計(jì)算的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0015] 本發(fā)明的目的在于：針對(duì)MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂與主軸端面無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜厚度 暫無(wú)設(shè)計(jì)計(jì)算方法以及無(wú)機(jī)富鋅漆實(shí)際噴涂厚度讓步監(jiān)控的現(xiàn)實(shí)需求，提出一種輪轂與主 軸端面無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜的分析方法，用于漆膜厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算和漆膜噴涂厚度的讓步計(jì) 算，防止因漆膜厚度設(shè)計(jì)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(wèn)題。
[0016] 對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)，主要是通過(guò)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(jì)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(jiǎn)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(kuò)展方向沿最大壓應(yīng)力方向 (即本實(shí)施方式中的漆膜厚度方向）擴(kuò)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(shí)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(gè)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(jì)算公式是依據(jù)斷裂力學(xué)中"裂隙"擴(kuò)展與抑制的能量平衡 推導(dǎo)出來(lái)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(kuò)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(kuò) 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(guò)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(guò)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(lèi)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(duì)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(shí)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(jiǎn)化 為I13其中，選β為常量，E·γ為無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜特性參數(shù)也可設(shè)為常量，公式可 進(jìn)一步簡(jiǎn)化為Γ=Κ. -，其中K
[0020] 本發(fā)明中，"裂隙"擴(kuò)展方向沿最大壓應(yīng)力方向擴(kuò)展，即漆膜厚度方向；等效"裂隙" 的特征尺寸是依據(jù)無(wú)機(jī)富鋅漆由表及里的成膜特點(diǎn)，以及干膜后的無(wú)機(jī)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(guò)計(jì)算特征 尺寸得到漆膜厚度。
[0021] 利用f=K·^^·，通過(guò)代入試驗(yàn)室測(cè)量的摩擦力Ff =f·Ν、接觸面積S、漆膜厚 NVa 度a的已知測(cè)量值可計(jì)算無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)富鋅漆的選材和涂覆工 藝有關(guān)，均屬于無(wú)機(jī)富鋅漆的一種特性值，試驗(yàn)室中的接觸表面的無(wú)機(jī)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(jì)的栓接面接觸表面的無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)富鋅漆的特性 值E·Y近似，進(jìn)而，得到恒定參數(shù)K。
[0023] 之后，可根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求的摩擦系數(shù)f、栓接正壓力N、接觸面積S三個(gè)變量以及 參數(shù)κ，將公式γ=ι< 轉(zhuǎn)換為a=K2 · 進(jìn)行漆膜厚度的計(jì)算。 NVaN-f-
[0024] 例如：對(duì)風(fēng)電齒輪箱輪轂與主軸端面涂富鋅漆厚度要求，某國(guó)外知名公司有關(guān)專(zhuān) 家曾要求對(duì)噴砂處理（粗糙度RzSOym)要求噴涂無(wú)機(jī)富鋅漆的厚度為50±10%μπι，但 理由沒(méi)有給出，而且，厚度±5μm的操作難易實(shí)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(jì)要求是否合適，通過(guò)上述計(jì)算方法，驗(yàn)算如下：
[0025] 本發(fā)明依據(jù)參考張雨田，脇山廣三的《涂無(wú)機(jī)富鋅漆高強(qiáng)螺栓連接的滑移和松 弛》中圖1、表4、表7,通過(guò)圖1可計(jì)算出實(shí)際栓接接觸表面面積，表4中的漆膜厚是通過(guò) 實(shí)際測(cè)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(cè)量數(shù) 據(jù)進(jìn)行換算的測(cè)算值，比如表4中的漆膜厚82.9μm，壓力33. 54t，和表7中對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)記錄，再結(jié)合上述文獻(xiàn)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(duì)無(wú)機(jī)富鋅漆的特性值Ε·γ進(jìn)行計(jì)算，（注：選擇相同的β=π)得到Ε·γ =5. 5734e+009(Pa·J/m2) 〇
[0026] 按某國(guó)外某知名公司設(shè)計(jì)的麗風(fēng)機(jī)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(jī)主軸與輪轂最低摩擦系數(shù)要求0. 3后，依據(jù) ^ 452 Cl=K·，計(jì)算a，結(jié)果約 86μm。 N~f"
[0027] 因此，國(guó)外知名廠(chǎng)商設(shè)計(jì)要求的漆膜厚度必須在50-80μm的合適。實(shí)際噴涂漆膜 厚度的控制應(yīng)在86μm以?xún)?nèi)。
[0028] 第二類(lèi)可用于類(lèi)比設(shè)計(jì)中漆膜厚度的指導(dǎo)：
[0029] 根據(jù)上述某國(guó)外知名公司研究的2麗風(fēng)機(jī)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(jī)主軸與輪轂最低摩擦系數(shù)設(shè)計(jì)要求0.3,（注：選擇相同 的β=π)用公式f=K [^對(duì)無(wú)機(jī)富鋅漆的特性值E·γ進(jìn)行計(jì)算，得到E·γ= N \α 5. 2851e+009(Pa·J/m2)0
[0030] 那么，類(lèi)比設(shè)計(jì)：某國(guó)外知名公司3MW風(fēng)機(jī)主軸與輪轂的漆膜厚度的計(jì)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(jī)主軸與輪轂最低摩擦 4V2 系數(shù)要求3后，依據(jù)β=[2 ，計(jì)算a，結(jié)果約52. 48μm。
[0031] 這樣，顯然不適合控制，通過(guò)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(shí)也降低了成本。
[0032]以上給出了具體的實(shí)施方式，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。本發(fā)明的基 本思路在于上述基本方案，對(duì)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(jì)出各種變 形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對(duì) 實(shí)施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種輪轂與主軸端面無(wú)機(jī)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(yàn)測(cè)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(jì)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(wú)機(jī)富鋅漆漆膜的分析方法，其特征在于， 所述漆膜厚度值的計(jì)算步驟為： 采用計(jì)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(wú)機(jī) 富鋅漆的彈性模量，Y為無(wú)機(jī)富鋅漆漆膜表面能密度，β為n，amax為"裂隙"特征長(zhǎng)度，即 滿(mǎn)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(wú)機(jī)富鋅漆漆膜的分析方法，其特征在于， 在所述計(jì)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(biāo)定值，然后結(jié)合a、f的測(cè)定值以及β的固定值，計(jì)算出無(wú)機(jī)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(jì)算公式中。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104318062SQ201410505746
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)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(ài)武, 卓然 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 許繼集團(tuán)有限公司, 許昌許繼風(fēng)電科技有限公司