[发明专利]一种风力发电机组前机架强度的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组前机架强度的计算方法，具体来说是针对偏航系统为滚动式的水平轴式风力发电机组的铸造前机架强度的计算方法。

背景技术

 风力发电机组在野外长时间经受非常复杂的风力交变载荷，而前机架是风力发电机组中最关键和承载最复杂的部件之一，它上面支撑着风轮总成、传动系统，中间支撑着偏航减速器，使其输出小齿轮与固定在塔顶顶部的偏航外齿轮正确啮合，前机架底部与偏航轴承通过螺栓连接。因此其具有良好的设计，可靠的质量，才能保证风力发电机组长时、稳定、可靠安全运行。目前前机架设计及优化过程主要采用有限元分析方法，此方法不仅缩短了研发设计周期，提高产品可靠性，且减少了设计成本。在采用有限元法对前机架进行强度分析时，分析模型建立的正确与否，直接决定分析结果的准确性。

在对前机架进行强度校核时，一般首先根据前机架的受力形式，建立正确的有限元分析模型，施加德国劳埃德GL规范中所规定的极限工况下的载荷，提交有限元分析软件进行求解，从而得到前机架上的应力分布图，从而为前机架设计及后期生产提供依据。

目前对水平轴式风力发电机组铸造前机架进行强度分析时，对许多传力细节考虑不全，致使前机架的强度计算结果与其实际受力情况出现偏差。例如只考虑风力气动载荷对前机架的受力影响，而且对轴承刚度的影响不给予考虑。另外，偏航力矩的传递过程进行了简化，一般只是将偏航传力部件偏航制动器、偏航垫高块与前机架使用绑定约束，致使前机架与偏航制动器连接处的受力偏大，前机架的受力状态与实际受力出现偏差。

发明内容

针对前面提到的前机架强度计算方法中的不足之处，本发明提出了一种风力发电机组前机架强度的计算方法，该方法采用有限元分析方法，根据载荷传递路线及前机架的受力情况，对模型进行适当简化，通过对前机架强度分析模型求解得到前机架上的应力分布情况，从而为前机架设计提供依据。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风力发电机组前机架强度的计算方法，通过现有的有限元软件为平台实施建模，定义各个部件材料属性，进行计算，得到前机架的受力云图及最大受力点，其特征在于，建模过程中主要包括以下步骤： 

1）使用三维软件建立前机架及影响前机架受力的零部件几何模型，进行装配后并转化为网格软件所识别的格式，导入网格软件中对所有部件进行网格划分，形成分析所用的网格模型；

2）将对前机架受力影响不大的连接关系进行简化；

3）对有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件；

4）最后将建立的有限元模型提交有限元分析软件中进行求解在不同极限工况下前机架的应力分布图；

其中，所述影响前机架受力的零部件包括风轮锁紧盘、主轴承座、主轴、齿轮箱支座、塔筒、后机架、偏航垫高块、偏航制动器、偏航轴承内圈、偏航轴承外圈、偏航制动盘、上/下偏航摩擦片；主轴承座与前机架间，齿轮箱座与前机架间，前机架与后机架间，塔筒与偏航制动盘间建立绑定约束。

进一步地，根据主轴轴承、偏航轴承滚子的刚度计算单元截面属性，并根据滚子数目设定单元数目；主轴轴承、偏航轴承的轴承内、外圈间用单向受力单元，即只受压不受拉的单元进行模拟。

进一步地，所述载荷边界包括重力载荷和轮毂的中心载荷。

进一步地，所述重力载荷的模拟使用质量单元模拟，并施加重力加速度，其中所考虑的质量包含前机架上所有的支撑重量，主要包括齿轮箱的重量与发电机的重量。

进一步地，所述轮毂的中心载荷的模拟通过在轮毂中心建立节点，在该节点上施加轮毂中心的极限载荷，使用刚性梁一将轮毂中心点与主轴法兰间连接。

进一步地，偏航力矩的模拟方法为：偏航力矩通过上/下偏航摩擦片与偏航制动盘间的摩擦作用传递至偏航制动盘后再传递至塔筒，在上/下偏航摩擦片中心建立两个节点，两节点分别与偏航制动器、上/下偏航摩擦片通过刚性梁二连接，同时在此两节点处建立方程约束，约束两节点除垂直方向外的其它两方向的平动位移相同。

进一步地，所述约束边界主要为在塔筒底部施加全自由度约束。

本发明的有益效果在于：补充了现有技术在对风力发电机组前机架强度计算中的不足，完善了细节方面的考虑，主要从载荷边界、偏航力矩的正确传递及主轴轴承和偏航轴承的模拟等方面完善前机架强度计算的有限元模型，从而得到更为准确的前机架应力分布，在设计方面提供更为精确的前机架强度结果，为对前机架的设计提供科学的依据。

附图说明

图1 本发明计算模型示意图；