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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，在設計中除應保證其有足夠的預緊力，還應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合處產(chǎn)生的彎曲力矩、風輪自重、風輪轉動產(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，頻率與風輪轉速n有關。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構特征，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個螺栓施加預緊力，建立各部件間的接觸關系；第2個工況是在螺栓預緊的情況下施加極限載荷，求得各零部件的強度。
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