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風(fēng)力發(fā)電機組的輪轂是整個機組重要的受力部件，它主要與葉片和主軸相連，其作用是將風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩通過主軸傳遞給齒輪箱，所有由葉片產(chǎn)生并傳遞的力，都要通過輪轂和主軸傳遞到傳動系統(tǒng)，再傳到需要被驅(qū)動的設(shè)備上。隨著現(xiàn)代風(fēng)電機組的大型化趨勢，輪轂的外形和質(zhì)量也是越來越大，這就要求其需要有足夠的強度和剛度以及需要有良好的減震吸震性能，減緩葉片對主軸的載荷沖擊。所以風(fēng)力發(fā)電機組輪轂設(shè)計的好壞將對整個機組的穩(wěn)定運行產(chǎn)生重要影響，因此有必要對風(fēng)力發(fā)電機組的輪轂進行強度分析，得到輪轂各個部位的應(yīng)力分布情況，為輪轂優(yōu)化和改進設(shè)計提供有效的依據(jù)。
風(fēng)力發(fā)電機組輪轂的受力狀況復(fù)雜，分析難度大，在傳統(tǒng)的設(shè)計中，機構(gòu)的尺寸一般使用類比方法或由檢驗確定，然后對其選用的材料或彈性力學(xué)的公式需要進行核算，會產(chǎn)生很大的計算誤差和冗余強度，如果采用有限元分析法對輪轂進行強度分析，不僅可以縮短計算時間，更能夠提高設(shè)計計算的準確性，還可以對輪轂進行疲勞和優(yōu)設(shè)計，最終提高輪轂的設(shè)計水平，設(shè)計出符合實際需要的風(fēng)力發(fā)電機組的輪轂。
風(fēng)力發(fā)電機組輪轂有較為復(fù)雜的三維形狀，其制造一般采用鑄造法，并采用球墨鑄鐵作為材料。輪轂主體為球形，對稱分布3個聯(lián)結(jié)變槳軸承的法蘭盤和3個安裝電轉(zhuǎn)子的法蘭盤，每個變槳軸承法蘭盤上設(shè)置一個變槳電機安裝孔，孔上安裝變槳電機，變槳電機外齒輪與變槳軸承內(nèi)齒圈相嚙合。非變槳情況下，葉片通過自鎖機構(gòu)處于固定非變槳狀態(tài)，變槳情況下，變槳電機啟動，變槳小齒輪帶動變槳軸承內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動，葉片通過螺栓連接于變槳軸承內(nèi)圈上，隨著內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)葉片的變槳。
在Solidworks中建立輪轂幾何模型及所采用的輪轂坐標(biāo)系，如圖所示。輪轂上葉片所產(chǎn)生的氣動載荷，另外還有由于自身旋轉(zhuǎn)和機艙對風(fēng)轉(zhuǎn)動引起的離心力、慣性力和重力通過3片葉片傳遞給軸承并最終通過螺栓傳遞到輪轂上，葉根處的面外彎曲力矩和風(fēng)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，這些載荷和輪轂自身的重力構(gòu)成了輪轂載荷。由于風(fēng)力發(fā)電機組輪轂的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，當(dāng)輪轂在承受葉片傳遞的各種靜載荷和交變載荷時，在輪轂的法蘭盤處就會很容易引起較大的應(yīng)力集中。因此輪轂設(shè)計的好壞將直接影響到整個風(fēng)力發(fā)電機的正常運行和使用壽命，有必要對輪轂進行受力分析以確定輪轂各個部位相對真實的應(yīng)力分布，為輪轂的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。
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