CN110598241B - 一种风机轮毂强度校核方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风机轮毂强度校核方法，该方法包含了轮毂载荷传递的完整路径，在进行有限元分析时，将风轮传递的扭矩施加在变桨轴承中心，通过连接假梁直接传递到变桨齿轮箱的变桨齿轮上，避开了变桨齿轮箱与变桨轴承齿圈之间的啮合连接，不必建立变桨齿轮箱与变桨轴承齿圈的啮合模型，使得最终建立的有限元模型更为简单，降低了建模难度，同时，解决了变桨齿轮箱与变桨轴承齿圈啮合时导致的计算模型收敛缓慢或不收敛问题,提高了模型质量，使得风机轮毂的校核更加高效。

Description

一种风机轮毂强度校核方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风机轮毂强度校核方法。
背景技术
随着传统能源的不断枯竭和环境的逐渐恶化，新能源行业受到越多越多人的青睐，风力发电得到了快速发展。
风力发电机是在风力发电过程中，将风能转化为电能的设备。轮毂作为风力发电机的关键设备，起到固定风机风轮叶片并将叶片捕捉到的风能继续向后传递的作用，因此轮毂强度校核至关重要。
目前轮毂的强度校核主要采用有限元计算方法，如申请公布号为CN106934100A，名称为“一种风机风轮的性能分析方法”的中国发明专利申请，公开了一种叶片载荷从叶根到轮毂的完整传递路径，其将风轮传递的扭矩直接通过变桨齿轮箱与变桨轴承齿圈的啮合进行传递。该方法虽然能模拟此处的真实受力情况，但在实际操作过程中，建立变桨齿轮箱与变桨轴承齿圈的啮合模型较为不便，往往需要对变桨轴承内圈模型网格进行特殊处理，以保证变桨齿轮箱与变桨轴承齿圈之间具有合适的啮合角度，啮合角度不合适，极易导致计算模型收敛缓慢或不收敛，最终导致轮毂校核效果不佳。
发明内容
本发明提供了一种风机轮毂强度校核方法，用以解决由于需要建立变桨齿轮箱与变桨轴承齿圈啮合模型导致的轮毂模型计算速度慢或校核效果不佳问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案和有益效果为：
本发明的一种风机轮毂强度校核方法，包括如下步骤：
1)建立风机的风轮总成模型，所述风轮总成模型包括轮毂、叶片、变桨轴承、变桨齿轮箱，所述变桨齿轮箱包括变桨齿轮；
2)将建立的风机风轮总成模型转换为有限元模型，对其中各部件进行网格划分和属性设置；
3)建立有限元模型中各部件的连接关系；其中，建立连接假梁，通过连接假梁将变桨轴承中心与变桨齿轮的外径连接起来；建立载荷伞，通过载荷伞将叶片与叶根中心连接起来；
4)对有限元模型施加边界条件，并在叶根中心和变桨轴承中心施加工况载荷，使在变桨轴承中心施加的工况载荷通过连接假梁直接传递给变桨齿轮；
5)求解有限元模型，得到风机轮毂的极限强度和/或疲劳强度，以对风机轮毂进行校核。
其有益效果：本发明在进行有限元分析时，将风轮传递的扭矩施加在变桨轴承中心，通过连接假梁直接传递到变桨齿轮箱的变桨齿轮上，避开了变桨齿轮箱与变桨轴承齿圈之间的啮合连接，不必建立变桨齿轮箱与变桨轴承齿圈的啮合模型，使得最终建立的有限元模型更为简单，降低了建模难度，同时，解决了由于需要建立变桨齿轮箱变桨齿轮与变桨轴承齿圈啮合模型导致的轮毂模型计算收敛速度慢或不收敛、模型质量不佳等问题，最终使得轮毂校核更为高效。
进一步的，步骤3)中，采用beam188单元建立所述连接假梁。
进一步的，步骤3)中，变桨齿轮采用beam188单元，且单元方向和变桨齿轮箱变桨齿轮-变桨轴承齿圈啮合位置方向一致，单元长度与变桨齿轮箱变桨齿轮半径一致。
进一步的，在进行风机轮毂的极限强度计算时，步骤4)中在叶根中心施加的极限载荷分量包括：MX、MY、FX、FY和FZ，在变桨轴承中心施加的极限载荷分量包括：MZ；在进行风机轮毂的疲劳强度计算时，步骤4)中所施加的为单位载荷，其为1kN的力或1kN·m的力矩，其中当需要施加的载荷分量为MX、MY、FX、FY和FZ时施加在叶根中心，当需要施加的载荷分量为MZ时施加在变桨轴承中心；其中，MX、MY、MZ分别为基于叶根坐标系的X、Y、Z轴的力矩载荷，FX、FY、FZ分别为基于叶根坐标系的X、Y、Z轴的轴向力载荷。
附图说明
图1是本发明的方法实施例中风轮总成模型示意图；
图2是本发明的方法实施例中风机变桨轴承与变桨齿轮箱模型示意图；
图3是本发明的方法实施例中风机风轮的加载方式示意图；
图4是本发明的方法实施例中叶根坐标系的示意图；
图中，1-叶片，2-变桨轴承，3-风轮锁紧盘，4-主轴，5-轮毂，6-变桨齿轮箱，7-变桨轴承滚子，8-变桨齿轮，9-齿轮轴，10-叶根中心，11-载荷伞，12-变桨轴承中心，13-连接假梁。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
方法实施例：
该实施例提供了一种风机轮毂强度校核方法，以加快建模速度，提高模型质量与计算速度，具体过程如下：
步骤1，如图1、2所示，利用三维建模软件建立风轮总成模型。风轮总成模型包括叶片1、变桨轴承2、风轮锁紧盘3、主轴4、轮毂5和变桨齿轮箱6，变桨齿轮箱包括变桨轴承滚子7、变桨齿轮8和齿轮轴9。在不影响整体刚度的前提下，由于小圆孔、倒角等对计算结果影响不大，故这些特征不予建模。
步骤2，将建好的三维模型导入有限元软件中，对风轮各部件进行网格划分，对于轮毂5重点关注部分进行网格加密处理，根据实际情况分别设置各部分的材料属性。其中，轮毂5与变桨齿轮箱6采用solid187单元模拟；叶片1、变桨轴承2、风轮锁紧盘3和主轴4采用solid185单元模拟。
步骤3，建立有限元模型中各部件的连接关系。
其中，变桨轴承滚子7采用combine39弹簧单元模拟，弹簧单元的实常数通过相关的公式可以获得，通过实常数设置可以使combine39单元只在受压的情况下起作用；齿轮轴9采用beam188单元模拟，其截面属性与齿轮轴实际尺寸一致；变桨齿轮8也采用beam188单元模拟，其方向与变桨齿轮箱变桨齿轮-变桨轴承齿圈啮合位置方向一致，长度与变桨齿轮箱变桨齿轮半径一致。
如图3所示，在叶根中心10建立节点，通过beam188单元建立载荷伞11将叶根中心10与叶片1连接，传递载荷分量MX、MY、FX、FY、FZ。在变桨轴承中心12建立节点，通过beam188单元建立连接假梁13，将变桨轴承中心12与变桨齿轮箱6的变桨齿轮8外径进行连接，此路径传递载荷分量MZ。
步骤4，对有限元模型施加边界条件和工况载荷。
其中，在有限元模型中各部件接触面间建立绑定接触，并在叶根中心10处施加ROTZ约束，在主轴4的端面施加全约束。
在进行极限强度计算时，在叶根中心10施加的极限载荷分量为MX、MY、FX、FY、FZ，变桨轴承中心12施加的载荷分量为MZ；在进行疲劳强度计算时，施加的为单位载荷，其为1kN的力或1kN·m的力矩，其中当需要施加的载荷分量为MX、MY、FX、FY和FZ时施加在叶根中心10，当需要施加的载荷分量为MZ时施加在变桨轴承中心12；其中，MX、MY、MZ分别为基于叶根坐标系的X、Y、Z轴的力矩载荷，FX、FY、FZ分别为基于叶根坐标系的X、Y、Z轴的轴向力载荷，叶根坐标系为基于GL2010规范规定的坐标系，如图4所示。
最后，合理设置有限元求解项，求解出轮毂的极限强度或疲劳强度，以对风机轮毂进行校核。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种风机轮毂强度校核方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)建立风机的风轮总成模型，所述风轮总成模型包括轮毂、叶片、变桨轴承、变桨齿轮箱，所述变桨齿轮箱包括变桨齿轮；
2)将建立的风机风轮总成模型转换为有限元模型，对其中各部件进行网格划分和属性设置；
3)建立有限元模型中各部件的连接关系；其中，建立连接假梁，通过连接假梁将变桨轴承中心与变桨齿轮的外径连接起来；建立载荷伞，通过载荷伞将叶片与叶根中心连接起来；
4)对有限元模型施加边界条件，并在叶根中心和变桨轴承中心施加工况载荷，使在变桨轴承中心施加的工况载荷通过连接假梁传递给变桨齿轮；
5)求解有限元模型，得到风机轮毂的极限强度和/或疲劳强度，以对风机轮毂进行校核。
2.根据权利要求1所述的风机轮毂强度校核方法，其特征在于，步骤3)中，采用beam188单元建立所述连接假梁。
3.根据权利要求1所述的风机轮毂强度校核方法，其特征在于，步骤3)中，变桨齿轮采用beam188单元，单元方向和变桨齿轮箱变桨齿轮-变桨轴承齿圈啮合位置方向一致，单元长度与变桨齿轮箱变桨齿轮半径一致。
4.根据权利要求1～3任一项所述的风机轮毂强度校核方法，其特征在于，在进行风机轮毂的极限强度计算时，步骤4)中在叶根中心施加的极限载荷分量包括：MX、MY、FX、FY和FZ，在变桨轴承中心施加的极限载荷分量包括：MZ；在进行风机轮毂的疲劳强度计算时，步骤4)中所施加的为单位载荷，其为1kN的力或1kN·m的力矩，其中当需要施加的载荷分量为MX、MY、FX、FY和FZ时施加在叶根中心，当需要施加的载荷分量为MZ时施加在变桨轴承中心；其中，MX、MY、MZ分别为基于叶根坐标系的X、Y、Z轴的力矩载荷，FX、FY、FZ分别为基于叶根坐标系的X、Y、Z轴的轴向力载荷。
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