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風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輪轂是整個(gè)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)，再傳到需要被驅(qū)動(dòng)的設(shè)備上。隨著現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)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(qiáng)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(jī)組輪轂設(shè)計(jì)的好壞將對整個(gè)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重要影響，因此有必要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輪轂進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到輪轂各個(gè)部位的應(yīng)力分布情況，為輪轂優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂的受力狀況復(fù)雜，分析難度大，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，機(jī)構(gòu)的尺寸一般使用類比方法或由檢驗(yàn)確定，然后對其選用的材料或彈性力學(xué)的公式需要進(jìn)行核算，會(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)算誤差和冗余強(qiáng)度，如果采用有限元分析法對輪轂進(jìn)行強(qiáng)度分析，不僅可以縮短計(jì)算時(shí)間，更能夠提高設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性，還可以對輪轂進(jìn)行疲勞和優(yōu)設(shè)計(jì)，最終提高輪轂的設(shè)計(jì)水平，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際需要的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輪轂。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(gè)聯(lián)結(jié)變槳軸承的法蘭盤和3個(gè)安裝電轉(zhuǎn)子的法蘭盤，每個(gè)變槳軸承法蘭盤上設(shè)置一個(gè)變槳電機(jī)安裝孔，孔上安裝變槳電機(jī)，變槳電機(jī)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(jī)構(gòu)處于固定非變槳狀態(tài)，變槳情況下，變槳電機(jī)啟動(dòng)，變槳小齒輪帶動(dòng)變槳軸承內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)而實(shí)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(dòng)載荷，另外還有由于自身旋轉(zhuǎn)和機(jī)艙對風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(huì)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(jì)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(jī)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(shí)，在輪轂的法蘭盤處就會(huì)很容易引起較大的應(yīng)力集中。因此輪轂設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命，有必要對輪轂進(jìn)行受力分析以確定輪轂各個(gè)部位相對真實(shí)的應(yīng)力分布，為輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
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