轮毂是风轮的重要枢纽，也是与叶片、主轴的主要连接件。从叶片传来的力，都要通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。轮毂除有以上作用外，同时也起到控制叶片桨距胶叶片作俯仰转动的作用，而这些均是通过螺栓连接来实现的。由于风轮在正常工作状态下是转动的，连接叶片与轮毂、轮毂与主轴的螺栓，都要承受巨大的动载荷。由此可见轮毂连接螺栓的重要性，在设计中除应保证其有足够的预紧力，还应保证其具有足够的强度。目前涉及风力发电机组螺栓连接的标准主要有VDI2230.D1118800以及GL标准。本研究根据GL标准，借助有限元分析软件，对某MW级风力发电机组轮毂的连接螺栓进行接触强度分析，总结出对螺栓接触强度的一套分析方法。
      MW级风力发电机组的轮毂形状基本相似，其主体为球形，几何形状都相对复杂，采用球墨铸铁铸造而成。本研究以某MW风力机组轮毂为例进行分析研究。该MW风力发电机组轮毂有3个安装变桨轴承的叶根法兰盘，分别由60个M36的螺栓与3个变桨轴承相连接，有一个安装主轴的法兰盘，通过56个M42的螺栓与主轴相连接。轮毂主体向外伸出的三个吊耳分别安装3个变桨电动机。依据提供的原始资料，在Pro/E中建立某MW轮毂连接的几何模型如图所示，图中只建立了一个方向上的叶片假体，并略去了部分不影响分析的倒角、凸台等。
      作用在轮毂上的载荷包括叶片上气动力在叶根与轮毂法兰盘结合处产生的弯曲力矩、风轮自重、风轮转动产生的离心载荷，以及主轴对轮毂的反作用力等。风力机运行时，叶片上的气动力分为确定性分量和随机性分量。前者由稳态的风速所产生，在轮毂叶根法兰盘产生面内和面外弯曲力矩，若考虑风剪、主轴仰角和偏航产生的误差，则面外弯矩呈周期性变化，频率与风轮转速n有关。随机气动分量由紊流风产生，处于随机变化状态，通常采用其统计特征描述。叶根处的面外弯曲力矩和风轮的重力会引起主轴的悬臂弯曲力矩，它的反作用力矩是影响轮毂疲劳设计的重要因素之一。
      由于连接叶片的三个轮毂法兰对称分布，故取其中一个法兰，建立该法兰的详细特征，略去螺栓安装时使用的垫片和某些次要的结构特征，并进行接触分析。其余两个变桨轴承和轮毂采用螺栓连接，简化处理为：变桨轴承和轮毂法兰合并节点；叶片假体和变桨轴承采用螺栓连接，简化处理成合并两部件结合面处的节点；主轴和轮毂法兰采用螺栓连接，简化后，采用合并节点的方式连接主轴法兰和轮毂法兰；用一段圆柱代替变桨电动机小齿轮，圆柱与轮毂采用合并节点方式连接。采用单元号为hex8线性六面体单元划分，单元大小为40~60mm总的单元数达到158023个。在接触分析模型中，设定了轮毂法兰盘接触体、轴承接触体和螺栓接触体3个可变形接触体，轮毂法兰盘螺栓连接的接触分析的有限元模型见图，又在全局坐标系下限制主轴断面节点的3个方向平动自由度。
      在局部坐标系下约束60个螺栓径向平动自由度，即约束垂直于螺栓轴线方向的平动自由度，以消除刚体位移。在每个叶片上建立局部坐标系，局部坐标系建立方法依据风力机认证规范，然后在每个叶片假体的中心建立一个RBE3类型的多点约束，将各工况载荷中的力FX，Fy，F与力矩MX，M施加于RBE3集中点上。同时在每个变桨电动机齿轮与变桨轴承齿轮接触线处，建立RBE3类型的多点约束，在变桨电动机局部坐标系下，将各工况载荷的MZ叶片根部局部坐标系下Z方向的力矩转化为变桨电动机齿轮的周向力F和径向力F，施加于RBE3集中点上。其中，力矩M筹效为变桨电动机齿轮的周向力F和径向力F，可依据标准直齿圆柱齿轮传动计算，大小齿轮传动比139/15，设小齿轮直径为d压力角，3支叶片上作用力矩分别为MZ，i=1,3。则小齿轮上的变浆力矩大小为MZi，作用在小齿轮上的周向力Ft及径向力Fr为：Ft=-2000加载分两个工况进行，第1个工况中给60个螺栓施加预紧力，建立各部件间的接触关系；第2个工况是在螺栓预紧的情况下施加极限载荷，求得各零部件的强度。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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