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輪轂是風輪的重要樞紐，也是與葉片、主軸的主要連接件。從葉片傳來的力，都要通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng)，再傳到風力機驅(qū)動的對象。輪轂除有以上作用外，同時也起到控制葉片槳距膠葉片作俯仰轉(zhuǎn)動的作用，而這些均是通過螺栓連接來實現(xiàn)的。由于風輪在正常工作狀態(tài)下是轉(zhuǎn)動的，連接葉片與輪轂、輪轂與主軸的螺栓，都要承受巨大的動載荷。由此可見輪轂連接螺栓的重要性，在設(shè)計中除應(yīng)保證其有足夠的預(yù)緊力，還應(yīng)保證其具有足夠的強度。目前涉及風力發(fā)電機組螺栓連接的標準主要有VDI2230.D1118800以及GL標準。本研究根據(jù)GL標準，借助有限元分析軟件，對某MW級風力發(fā)電機組輪轂的連接螺栓進行接觸強度分析，總結(jié)出對螺栓接觸強度的一套分析方法。
MW級風力發(fā)電機組的輪轂形狀基本相似，其主體為球形，幾何形狀都相對復(fù)雜，采用球墨鑄鐵鑄造而成。本研究以某MW風力機組輪轂為例進行分析研究。該MW風力發(fā)電機組輪轂有3個安裝變槳軸承的葉根法蘭盤，分別由60個M36的螺栓與3個變槳軸承相連接，有一個安裝主軸的法蘭盤，通過56個M42的螺栓與主軸相連接。輪轂主體向外伸出的三個吊耳分別安裝3個變槳電動機。依據(jù)提供的原始資料，在Pro/E中建立某MW輪轂連接的幾何模型如圖所示，圖中只建立了一個方向上的葉片假體，并略去了部分不影響分析的倒角、凸臺等。
作用在輪轂上的載荷包括葉片上氣動力在葉根與輪轂法蘭盤結(jié)合處產(chǎn)生的彎曲力矩、風輪自重、風輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心載荷，以及主軸對輪轂的反作用力等。風力機運行時，葉片上的氣動力分為確定性分量和隨機性分量。前者由穩(wěn)態(tài)的風速所產(chǎn)生，在輪轂葉根法蘭盤產(chǎn)生面內(nèi)和面外彎曲力矩，若考慮風剪、主軸仰角和偏航產(chǎn)生的誤差，則面外彎矩呈周期性變化，頻率與風輪轉(zhuǎn)速n有關(guān)。隨機氣動分量由紊流風產(chǎn)生，處于隨機變化狀態(tài)，通常采用其統(tǒng)計特征描述。葉根處的面外彎曲力矩和風輪的重力會引起主軸的懸臂彎曲力矩，它的反作用力矩是影響輪轂疲勞設(shè)計的重要因素之一。
由于連接葉片的三個輪轂法蘭對稱分布，故取其中一個法蘭，建立該法蘭的詳細特征，略去螺栓安裝時使用的墊片和某些次要的結(jié)構(gòu)特征，并進行接觸分析。其余兩個變槳軸承和輪轂采用螺栓連接，簡化處理為：變槳軸承和輪轂法蘭合并節(jié)點；葉片假體和變槳軸承采用螺栓連接，簡化處理成合并兩部件結(jié)合面處的節(jié)點；主軸和輪轂法蘭采用螺栓連接，簡化后，采用合并節(jié)點的方式連接主軸法蘭和輪轂法蘭；用一段圓柱代替變槳電動機小齒輪，圓柱與輪轂采用合并節(jié)點方式連接。采用單元號為hex8線性六面體單元劃分，單元大小為40~60mm總的單元數(shù)達到158023個。在接觸分析模型中，設(shè)定了輪轂法蘭盤接觸體、軸承接觸體和螺栓接觸體3個可變形接觸體，輪轂法蘭盤螺栓連接的接觸分析的有限元模型見圖，又在全局坐標系下限制主軸斷面節(jié)點的3個方向平動自由度。
在局部坐標系下約束60個螺栓徑向平動自由度，即約束垂直于螺栓軸線方向的平動自由度，以消除剛體位移。在每個葉片上建立局部坐標系，局部坐標系建立方法依據(jù)風力機認證規(guī)范，然后在每個葉片假體的中心建立一個RBE3類型的多點約束，將各工況載荷中的力FX，F(xiàn)y，F(xiàn)與力矩MX，M施加于RBE3集中點上。同時在每個變槳電動機齒輪與變槳軸承齒輪接觸線處，建立RBE3類型的多點約束，在變槳電動機局部坐標系下，將各工況載荷的MZ葉片根部局部坐標系下Z方向的力矩轉(zhuǎn)化為變槳電動機齒輪的周向力F和徑向力F，施加于RBE3集中點上。其中，力矩M籌效為變槳電動機齒輪的周向力F和徑向力F，可依據(jù)標準直齒圓柱齒輪傳動計算，大小齒輪傳動比139/15，設(shè)小齒輪直徑為d壓力角，3支葉片上作用力矩分別為MZ，i=1,3。則小齒輪上的變漿力矩大小為MZi，作用在小齒輪上的周向力Ft及徑向力Fr為：Ft=-2000加載分兩個工況進行，第1個工況中給60個螺栓施加預(yù)緊力，建立各部件間的接觸關(guān)系；第2個工況是在螺栓預(yù)緊的情況下施加極限載荷，求得各零部件的強度。
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