00 備案號： B 國家認證認可監(jiān)督管理委員會 力發(fā)電機組關鍵結構件設計評估指南 01201國家認證認可監(jiān)督管理委員會 發(fā) 布 2012 目 錄 前 言 1 范圍 . 規(guī)范性引用文件 . 術語和定義 . 設計評估概述 . 設計評估 .料要求 .審目的 .整性檢查 . 圖紙評審 .件圖紙 .件圖紙 .接件圖紙 . 設計技術規(guī)范 評審 .件 設計技術規(guī)范 .件設計技術規(guī)范 .接件設計技術規(guī)范 . 強度分析報告 評審 .度分析 報告內容完整性 .限元模型檢查 . 獨立并行計算 .錄 A：關鍵結構件靜強度與疲勞強度 計算 介紹 .強度 計算 .勞強度計算 流程及要點 .錄 B： 有限元法介紹 .2012 前 言 國際上 目前陸上風力發(fā)電機組的設計一般依據標準 1400005，海上風力發(fā)電機組的設計一般依據標準 1400009， 風力發(fā)電機組 認 的 證 依據標準 010； 德國勞氏船級社發(fā)布的 則，同時也被廣泛應用， 其內容同時涵蓋了風力發(fā)電機組的 設計 要求與 認證 要求 。國內 陸上 風力發(fā)電機組的設計依據標準 海上風力發(fā)電機組的設計依據標準 31517風力發(fā)電機組 認 的 認證依據標準 25458 設計標準規(guī)定了風力發(fā)電機組 整機及其 每個組成部分的設計要求，認證標準介紹了項目認證、型式認證及部件認證的組成模塊及相關模塊的評估范圍。 上述 標準中對于風力發(fā)電機組關鍵結構件（以下簡稱關鍵結構件） 應 如何進行設計評估， 均 未提及。 本指南在上述標準基礎上，規(guī)定了關鍵結構件設計評估流程及每個設計評估環(huán)節(jié)的 具體 要求 ，使關鍵結構件設計評估工作有章可循 ，有助于 提升 認證機構 對于關鍵結構件設計評估的質量 水平 。此外，本指南可作為認證機構與 申請人在設計評估過程中 進行溝通的重要 依據 。 本指南主要起草單位：中國質量認證中心、中車株洲電力機車研究所有限公司 風電事業(yè)部、國電聯合動力技術有限公司、 北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司 、 南京高速齒輪制造有限公司、 重慶重齒風電齒輪箱有限 責任公司。 本指南主要起草人：邢合萍、李建橋、康巍、王寧、呂杏梅、寧紅超、 張訊、裴月、李世慧、趙玉、王偉峰、李常 、王英博、楊天時、姚晨希 。 風力發(fā)電機組關鍵結構件設計評估指南 1 范圍 本指南規(guī)定了風力發(fā)電機組關鍵結構件的設計評估流程及各評估環(huán)節(jié)的具體要求，并介紹了基于有限元法的關鍵結構件靜強度與疲勞強度計算流程與要點。 本指南所指 風力發(fā)電機組關鍵結構件 主要 包括輪轂、主軸、軸承座、主機架、發(fā)電機機架、齒輪箱扭力支撐臂與行星架 ，根據其生產方式可分為鑄件、鍛件及焊接件。 小型風力發(fā)電機組關鍵結構件設計評估可參照執(zhí)行。 2 規(guī)范性引用文件 下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改版）適用于本文件。 197通螺紋 公差 228屬材料 室溫拉伸試驗方法 229屬夏比缺口沖擊試驗方法 231屬布氏硬度試驗 第 1 部分：試驗方法 709熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差 1184狀和位置公差值 未注公差值 1348磨鑄鐵 1591合金高強度結構鋼 1804般公差 未注公差的線性和角度尺寸的公差 3077金結構鋼 5048潮包裝 5313度方向性能鋼板 面粗糙度對比樣塊 鑄造表面 6402鍛件超聲檢測方法 6414件 尺寸公差與機械加工余量 9441墨鑄鐵金相檢驗 9444鋼件磁粉檢測 9445損檢測 人員資格鑒定與認證 11351件重量公差 13384電產品包裝通用技術條件 18451力發(fā)電機組 設計要求 19804接結構件的一般尺寸公差和形位公差 25458 風力發(fā)電機組 合格認證規(guī)則及程序 131517 海上風力發(fā)電機組 設計要求 1400力發(fā)電機組 第 1 部分：設計要求（ : 1400力發(fā)電機組 第 3 部分：海上風力發(fā)電機組設計要求（ : 1400力發(fā)電機組 第 22 部分：合格測試與認證（ 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 術語和定義 請人 申請認證的實體 。 力發(fā)電機組制造商 從事風力發(fā)電機組制造的實體。 計認證 由認證機構對某一型號風力發(fā)電機組的設計滿足指定要求而出具書面保證的程序。 計評估 對風力發(fā)電機組按照設計條件、指定標準和其他技術要求進行設計的全部內容進行。 審 為確定主題事項達到規(guī)定目標的適宜性、充分性和有效性所進行的活動。 估人員 認證機構內具有相關資質執(zhí)行設計評估的人員。 立并行計算 評估人員為驗證申請人關鍵結構件強度計算結果的符合性而開展的獨立計算工作。 強度 指結構在極限載荷作用下抵抗變形或破壞的能力。 勞強度 指結構在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應力。 和疲勞壽命 N 的關系曲線，主要用于描述 材料的疲勞特性。 4 設計評估概述 根據 25458力發(fā)電機組 合格認證規(guī)則及程序，設計認證模塊如圖 1 所示。 設計基礎評估 設計評估 制造能力評估 設計認證證書 最終評估報告 獲證后監(jiān)督檢查 安全及功能試驗 圖 1：設計認證模塊圖 設計評估是設計認證的核心模塊，它的 目的是為了檢查風力發(fā)電機組是否按設計條件、指定標準和其他技術要求進行設計。 設計評估 的 對象包括控制和保護系統、載荷、電氣部件、機械部件與 關鍵 結構件、葉片、機體外殼 、塔架 ，以及 塔架 基礎評估（可選 ） 等 。 關鍵結構件設計評估一般流程 如下 ： 圖 2： 關鍵結構件設計評估一般流程 5 設計評估 風力發(fā)電機組設計評估一般依據當前有效版本的風力發(fā)電機組設計與認證標準進行。 隨著風電行業(yè)的發(fā)展，我國已編制完成 風力發(fā)電機組設計標準 與認證標準，即陸上 風力發(fā)電機組設計標準 上風力發(fā)電機組設計標準 31517，及風力發(fā)電機組 認證標準 25458。 25458推薦風力發(fā)電機組 制造商 在 機組 設計時采用 等同 于國標或更高要求 的設計 標準。 為使風力發(fā)電機組能適應不同的風場環(huán)境條件，風力發(fā)電機組 制造商 在依據上述設計標準基礎上，特殊情況下還考慮如低溫特性、高原特性及臺風等環(huán)境因素，因此評估人員在 開始設計 評估前，應先了解 待評估 機組的設計標準及其適用環(huán)境，以便在 設計 評估過程中考慮涉及到的 一些 特定要求。 關鍵結構件 的 設計評估工作分為兩個 階段 ：第一 階段 是 設計評估 資料的評審；第二 階段 是必要的關鍵結構件靜強度與疲勞強度獨立并行計算。 料要求 申請人 須按照認證機構規(guī)定的要求提交 設計評估 資料。 對于鑄件、鍛件及焊接結構件，應提交 以下 文件： 1) 零 部 件圖紙； 2) 設計技術規(guī)范； 3) 強度分析報告； 4) 有限元模型 （如適用） 。 審目的 設計評估 資料 的 評審目的： 1) 檢查 設計評估 資料的完整性； 2) 檢查引用標準 的 有效 性 ； 3) 檢查 圖紙與設計技術規(guī)范中 對于 關鍵結構件技術要求規(guī)定 的完整性 ，并 確認 符合引用標準 要求； 4) 檢查 強度 分析過程的 合理 性及 計算結果 的符合性 ； 5) 檢查 材料牌號、材料性能、圖紙編號等關鍵信息在各設計文件中表述的一致 性 。 整性檢查 按 照 認證機構要求提交的 設計評估 資料構成了對關鍵結構件設計 全面的 技術規(guī)定，在設計評估過程中缺一不可。 申請人 提交 設計評估 資料后，評估人員應先 根據設計評估資料 清單要求檢查 提交的 資料 是否齊全，報告是否完整， 如發(fā)現有缺失情況，應及時給出反饋意見，通知 申請人 補充提交。 6 圖紙評審 為適應不同制造階段的需要，鑄件、鍛件 及 焊接件 一般都 具有幾種不同功能作用的 零件圖，如機械加工圖、無損探傷圖及防腐涂層圖等 。每 一 種圖 紙 中，除了基本的規(guī)定要求以外，在其技術要求一欄中會補充必要的技術要求說明，且根據材料不同，規(guī)定要求也不同。 除了上述 鑄件、鍛件 及 焊接件 等的零件圖，因認證機構了解機組結構組成及在設計評估第二階段執(zhí)行獨立并行計算需要，申請人還應提交這類關鍵結構件相關的部件裝配圖。 零件圖的 評審目的： 檢查 尺寸公差、形位公差及關鍵位置表面粗糙度 等的 設計 合理性 ； 檢查關鍵結構件與其相鄰結構件之間的 尺寸匹配性 ； 檢查無損探傷圖中設定質量等級與強度分析報告中設定質量等級的一致性； 檢查關鍵結構件 表面防腐措施 與設計要求及有關標準的符合性； 檢查 圖紙 中 所 規(guī)定技術要求內容 的 完整 性。 部件裝配圖的評審目的： 檢查關鍵部位配合公差的合理性； 檢查關鍵結構件有限元整體模型與其部件裝配結構的相似性。 鑄件圖紙 鑄件 應 包括機械加工圖、無損探傷圖及防腐涂層圖。 鑄件機械加工圖主要規(guī)定了其在室溫 C20 下的機加工尺寸及其公差、形位公差、表面粗糙度等方面的要求。 鑄件機械加工圖技術要求一欄應包括 但不限于 以下規(guī)定（數值僅供參考，下同）： 鑄件不得有影響使用性能的鑄造缺陷（裂紋、縮松、冷隔、縮孔、夾渣等）存在，不允許存 在能加工去除的表面缺陷； 未注粗糙度要求 50 未注過渡圓角要求 5030 未注工藝圓角 10R ； 鑄件尺寸公差按 6414 未注尺寸公差按 1804 未注形位公差按 1184 鑄件重量公差按 11351 未注拔模斜度要求 53 。 鑄件的無損探傷圖 應說明鑄 件的探傷 方式 與 質量 等級要求 ，且質量等級 要求 應不低于 該 鑄 件強度分析 過程中所假設的無損探傷質量等級要求 。 鑄 件表面施加防腐涂層的目的是為了實現在其規(guī)定設計壽命內避免表面發(fā)生嚴重腐蝕情況而 導致結構 破壞 。 在防腐涂層圖的技術要求中 應 說明所 要求達到的防腐等級及所 采取的防腐措施：如防腐涂層數、涂層 牌號 、涂層厚度、涂層顏色，及噴涂前表面處理要求等信息。這 類 信息也可在設計技術規(guī)范中 予以 說明。 件圖紙 鍛件 一般僅 機械加工圖 ， 防腐涂層 要求見技術規(guī)范。 鍛件機械加工圖主要規(guī)定了其在室溫 C20 下的機加工尺寸及其公差、形位公差、表面 粗糙度等方面的要求。 鍛件機械加工圖技術要求一欄中應包括 但不限于 以下規(guī)定： 過渡圓弧需做拋光處理，表面粗糙度 6.1適用）； 未注尺寸公差按 1804 未注形位公差按 1184 未注倒角 453 ； 機加工后必要的防銹措施要求 。 接件圖紙 焊接件 應 包括焊接圖、 機械 加工圖及防腐涂層圖。 焊接圖 應包括 該 焊接 件 的焊縫位置、焊縫尺寸、焊縫形式 及 每條 焊縫的無損檢測要求 等 。 焊接圖技術要求一欄中應包括 但不限于 以下 規(guī)定 ： 所有鋼板應平整； 鋼板落料后應去除毛刺； 鋼板、型鋼焊前應按照規(guī)定焊縫要求開相應坡口； 各坡口在焊接之前必須進行除銹處理； 焊材要求，如按照 10045使用 某些厚鋼板的預熱要求； 未注焊接尺寸要求，如按 19804 未注焊接直線度、平面度和平行度要求，如按 19804 焊后清理要求； 焊后的去除殘余應力方式。 焊接件機械加工圖主要規(guī)定其在室溫 C20 下的機加工尺寸及其公差、形位公差、表面粗糙度等方面的要求。 焊接 件 機械加工圖技術要求一欄中應包括 但不限于 以下 規(guī)定 ： 未注尺寸公差按 1804 未注形位公差按 1184 機加工后去除尖角、毛刺； 銳角倒鈍等。 焊接件 的 防腐涂層圖參照鑄件防腐涂層圖說明。 7 設計技術規(guī)范 評審 設計技術規(guī)范 應 規(guī)定 關鍵結構 件 的材料牌號、化學成分、機械性能、金相組織、尺寸檢查、探傷檢測、 防腐、標志、包裝、儲存及運輸等方面的要求。 鑄件 設計技術規(guī)范 鑄件設計技術規(guī)范 應包括 但不限于 以下規(guī)定： 適用環(huán)境條件； 材料牌號及依據標準； 材料機械性能要求，一般包括材料屈服強度、抗拉強度、表面硬度、低溫抗沖 擊性能、斷面收縮率，延伸率等； 化學成分與金相組織要求； 鑄造質量：表面缺陷、內部缺陷、金屬夾雜物，球化率、鐵素體含量、珠光體含量 石墨尺寸大小等方面要求； 附鑄試塊位置或取樣位置； 表面處理工藝及其要求，一般包括粗糙度與清潔度； 防腐措施； 產品檢驗要求，包括無損探傷人員資格要求； 標志、包裝、儲存、運輸要求； 11 質量文件要求。 鍛件設計技術規(guī)范 鍛件 設計技術規(guī)范 應包括 但不限于 以下規(guī)定： 適用環(huán)境條件； 材料牌號及依據標準； 材料機械性能要求，一般包括材料屈服強度、抗拉強度、表面硬度、低溫 沖擊功 、斷面收縮 率，延伸率等； 化學成分與金相組織要求； 質量要求：包含表面缺陷、內部缺陷及熔渣等的質量等級要求； 無損探傷要求； 熱處理； 防腐措施； 產品檢驗要求，包括無損探傷人員資格要求； 與相鄰連接零件接口形式、配合尺寸及公差要求； 11 標志、包裝、儲存、運輸要求； 12 質量文件要求。 焊接件設計技術規(guī)范 焊接件 設計技術規(guī)范 應包括 但不限于 以下規(guī)定： 適用環(huán)境條件； 材料牌號及依據標準； 材料機械性能要求：如碳當量、低溫沖擊功、鋼板厚度方向性能、斷面收縮率等； 化學成分要求； 鋼板質量等級要求，包含表面缺陷、內部缺陷的質量等級要求； 焊接準備工作； 焊縫檢測； 焊接后處理； 防腐措施； 產品檢驗要求，包括無損探傷人員資格要求； 11 標志、包裝、儲存、運輸要求； 12 質量文件要求。 評估人員應就上述內容 作逐 一檢查 ，確保設計技術規(guī)范 包含技術要求內容 完整， 并符合有關引用標準 規(guī)定 要求。 申請人在風力發(fā)電 機組設計 時 如采用 相關技術要求應不低于 國標 規(guī)定 要求。 8 強度分析報告 評審 關鍵結構件強度分析報告 建議 依據圖紙與 設計 技術規(guī)范要求 采用 有限元 法 進行計算 并根據計算結果 編制 報告 ， 強度分析 包括靜強度分析與疲勞強度分析。 度分析 報告內容完整性 強度分析報告應包括 但不限于 以下規(guī)定： 分析對象介紹； 分析使用軟件及版本信息； 坐標系介紹； 載荷來源； 建模說明，包括材料特性、單元類型、載荷施加位置、約束邊界條件等； 有限元模型簡化說明； 有限元模型反作用力驗證； 有限元模型錯誤與警告單元檢查； 12個關鍵 單位載荷應力結果 顯示，如第一主應力與第三主應力 ； 12個關鍵 單位載荷變形結果顯示； 0 11 極限工況載荷作用下的應力結果 顯示 ； 12 疲勞強度分析過程簡述； 13 疲勞強度分析關鍵輸入參數數值； 14 S/ 15 疲勞 強度計算 結果； 16 參考文件等； 限元模型檢查 有限元模型檢查的主要目的是 確認申請人 提 交 的有限元模型與 其 強度分析報告 中所描述有限元模型的 一致 性 。 有限元模型檢查主要包括下列內容： 坐標系； 使用單元； 使用 的 單位 類型 ； 模型簡化合理性； 相關單元實常數值 ，如適用 ； 有限元模型尺寸； 網格劃分質量； 軸承的非線性特性，如適用； 接觸對設置情況； 載荷施加 方式、 位置及載荷施加點的坐標方向； 11 邊界 條件 ； 12 警告和錯誤單元； 13 單位載荷作用下的反作用力檢查； 14 求解器設置。 評估人員應就上述內容 作逐 一檢查，如發(fā)現與 圖紙或 強度 分析 報告 中的描述 有不符合情況，應 反饋給申請人并要求其予以說明 。必要情況下， 申請人應改進有限元模型并更新報告 。 9 獨立并行計算 在完成設計評估 資料評審 后 ， 評估人員 在 此 基礎上，對關鍵結構件進行必要的獨立并行計算， 即根據關鍵結構件 的 設計輸入對 其 強度分析結果 通過獨立并行計算進行 驗證 ，確認該 關鍵結構件強度滿足 設計要求 。 1 評估人員執(zhí)行 獨立并行計算 時 可使用 申請人 提交的有限元模型， 但 應 當 對 有限元模型進行 必要的修改，如刪除并重建 各 接觸 對、刪除并重建 邊界 約束 條件 、 使用不同方法傳遞遠程力等。評估人員應對有限元模型的修改 情況 予以記錄， 并將其納入到根據 獨立并行計算 結果編制的 報告 中 。 獨立并行計算時 應使用認證機構 載荷評估人員計算驗證后 的載荷。 鑄件與鍛件疲勞強度 分析 中使用的 S/合方法推薦 依據 焊接件 推薦 使用 。 疲勞損傷依據 靜強度與疲勞強度獨立并行計算結果均 滿足 設計要求時， 最終 設計評估結果為 合格 ！ 關鍵結構件靜強度與疲勞強度分析 流程與要點 介紹見附錄 A. 有限元法介紹見附錄 B。 2 附錄 A：關鍵結構件靜強度與疲勞強度 計算 介紹 關鍵結構件的靜強度與疲勞強度計算結果取決于關鍵結構件以下四個方面 因素 ： 材料 技術要求 載荷 條件 幾何形狀與尺寸 強度 計算 在風 力發(fā) 電機組各種設計狀態(tài)即發(fā)電、發(fā)電兼有故障、啟動、正常 停 機、緊急 停 機以及運輸、組裝、維護等情況下出現 的 極限 工況 載荷 可能會 對結構 件 不同部位造成 不同程度的損傷，故應 對關鍵結構件在各 種 極限工況載荷作用下 的 受力情況進行計算。 評估人員按照 在 該模型 載荷施加點輸入極限工況載荷，設置 好 求解器 后直接 進行求解 即可 。 對于 塑性材料 ，一般利用 最大剪切應變能 假設對計算結果進行判斷 ；對于 半塑性 材料一般利用最大剪切應變能 假設 或最大主應力 假設對計算結果進行判斷 。使用塑性或半塑性材料的關鍵結構件 局部位置，允許的彈塑性總應變 不大于 1%。 對于脆性材料，一般利用 最大主 應力假設對計算結果進行判斷 。 對于焊接件，推薦依據 為極限應力值。 3 勞強度計算 流程及要點 1） 鑄件與鍛件 疲勞強度 計算 流程 圖 1 2） 疲勞壽命計算應力假設 最大主應力假設： ),m a x(321m a x ),(a x 關鍵面法： 2s i o 222v Ss 3） 安全系數選取 依據 標準引入了風機零件安全等級系數n。 勞載荷 單位應力結果 線 材料性能 安全系數 應力假設 雨流計數 等修正系數， , 疲勞損傷計算 平均應力修正 則 載荷仿真 應力時序 評估通過 評估不通過 1D？ 有限元模型 4 一類零件安全系數：用于“失效 鍵結構件，關鍵結構件失效不會導致機組主要零部件的失效。例如帶有監(jiān)控的可替換軸承。 二類零件安全系數：用于“非失效 鍵結構件，關鍵結構件失效會導致機組主要零部件失效。 三類零件安全系數：用于“非失效 械件，機械部件把執(zhí)行機構和制動器與主要關鍵結構件連接起來，以執(zhí)行風力發(fā)電機非冗余的保護功能。 本指南涉及關鍵關鍵結構件屬于第二類， n取值具體見該標準第 材料安全系數： 1.1m 4） 鑄 件與 鍛 件 的 S/ 關鍵 輸入 參數 本指南推薦鑄件與鍛件的 S/鍵輸入參數見表 1。 表 1 5） 焊接關鍵結構件疲勞分析 與 1） 明確 的 結構熱點應力定義 ； 2）推薦有焊縫建模方法；3） 熱點應力插值計算詳細說明 ； 4）