风电机组轮毂组件配平程序的设计

翟晓江，张宏伟

（1. 金风科技股份有限公司，北京 100176；2. 大连冶金轴承股份有限公司，辽宁 大连 116202）

0 引言

风电机组的轮毂是连接叶片和主轴之间的核心部件，叶片将流动的风能通过轮毂和主轴作用转换成旋转的势能，带动发电机发电。在风电机组中，轮毂是体积和重量较大的旋转体。因此，在风电机组设计时，应保证轮毂的重心与旋转中心重合，不产生不对称离心力，保证轮毂和叶片旋转平稳。由于轮毂在制造过程中无法保证重心与旋转中心重合，重心的偏心产生不对称离心力，使得轮毂和主轴受到额外载荷。在此额外载荷的受力方向产生微小变形，使得轮毂和主轴在旋转中产生振动。在振动的影响下，风电机组的各个连接件和轴承会产生松动和过度磨损，降低风电机组的使用寿命。因此，有必要在风电机组装配过程

中通过加装配平块配平的方式消除轮毂重心与旋转中心的偏心，使得轮毂的重心与旋转中心重合，消除轮毂和主轴在旋转中产生振动，保证风电机组的使用寿命。确定配平块重量和位置的配平程序是配平的关键技术，该程序能够准确计算出配平块重量及位置，同时解决了国外的配平程序，只能用于单一机组的问题。

1 配平原理及计算

1.1 配平的力学原理

如图1所示，配重块配平产生的力F为空间平行力系，力的方向垂直向下，力对点O的矩为一矢量，矢量的大小为两倍的三角形面积（F×L），矢量的方向如图1所示(垂直于三角形)，即空间平行力F对点O的矩矢等于矩心到该力作用点的矢径与该力的矢量积，MO(F0)=F×L；

当配重块在配重块安装孔（两处）对点O矩的矢量和等于轮毂配平后在发电机安装法兰孔所放置的配重块对点O产生的矩时，即可认为轮毂已经配平。

即 MO(F0)=MO(F1)+MO(F2)或 者MO(F0)=MO(F2)+MO(F3)或者MO(F0)=MO(F3)+MO(F1)[1-2]

1.2 数学计算

1.2.1 参数设置

（1）假设发电机安装法兰孔的数量为60；

（2）序号0的法兰孔的位置如图1所示；

（3）孔的序号为N。

1.2.2 公式推导

如图2所示：

∠A=∠B=120°＋8°－∠C=128°－∠C

式中∠C即配重块放置位置与中心线的夹角

∠D=60°是一定值

根据解三角形公式，正弦定理：

配重块的重量：

同理，可推导出不同的配重块放置法兰孔序号，配重块在不同的安装位置的质量，如表1所示。

2 程序设计

2.1 逻辑分析

（1）当放置配重块的法兰孔序号为2－21时，配重块的安装位置为位置1、2；

（2）当放置配重块的法兰孔序号为22－41时，配重块的安装位置为位置2、3；

（3）当放置配重块的法兰孔序号为42－59、0、1时，配重块的安装位置为位置3、1。

表1 配重块质量的计算公式

2.2 配平程序的流程图

配平程序流程图如图3所示。

2.3 程序语言

2.3.1所使用的函数说明[5]

函数说明如表2所示。

2.3.2配平程序的语言

配平程序的语言如表3所示。

3 配平过程

3.1 配平工艺

（1）使用配平起吊工装将轮毂组件吊起；

（2）在水平面上校准水平仪，将水平仪放置在轮毂法兰平面上，确定轮毂的倾斜方向；

（3）根据轮毂的倾斜方向确定配重块在法兰孔上的放置位置，将配重块放在发电机连接法兰孔上，以配平轮毂；

（4）轮毂配平后，记录放置配重块的法兰孔序号（详见图2）及质量，并将数据输入配平程序中，配平程序将确定出配重块的安装位置，并计算出每个安装位置安装配重块的重量；

（5）使用螺杆、螺母，将配重块固定在轮毂上，配重块应在变桨法兰板两侧对称放置。

表2 EXCEL程序的语法及说明

表3 配平程序的语言

3.2 影响配平精度的因素

（1）变桨法兰板的位置精度将影响力矩臂L的大小，从而影响配平程序的计算结果。因此，对于轮毂铸件，变桨法兰板的位置精度应是重点控制的检验项目；

（2）配平起吊工装的精度，配平起吊工装自身的尺寸中心应与起吊中心重合。否则，在配平过程中将把配平起吊工装的不平衡带入到轮毂的配平过程中去；

（3）配平起吊工装的中心应与轮毂的回转中心重合，否则配平将没有意义。因此，在配平起吊工装的设计过程中要注意定位基准面的选择，确保中心的重合；

在建筑产业的施工现场管理过程中，项目的前期设计阶段可以让各个模块的人员主动积极参与其中，通过对BIM技术的有效运用搭建出高效的工作平台，从而对整个项目进行统筹安排和优化设计，使得信息更为准确有效地进行传递，同时加强各个部门和专业技术人员之间的联系和沟通，增强彼此之间的默契，提高工作效率和工作质量，减少在实际工作中由于信息传递滞后、缺乏准确性导致设计施工出现变更和问题。对于项目施工过程的管控，相关工作人员可以通过BIM技术的有效运用对整个项目的施工进度进行对比分析，及时调整工作进度，优化施工过程和施工程序，对人员调度和资源配置进行合理安排。

（4）随着风电机组功率的增大，直驱风电机组轮毂装配后的重量达到20t－30t，配平起吊工装在起吊轮毂后，不可避免会产生较大的弹性变形，若变形量过大，将会影响配平的精度。因此，在配平起吊工装设计的过程中，悬臂梁设计首要考虑的问题应是刚性而不是强度。

3.3 配平过程的注意事项

（1）根据配平程序的计算原理，配重块应在变桨法兰板两侧对称放置，切不可在一侧放置；

（2）在配平过程中，配平起吊工装应保证轮毂能在360°任意方向稳定、自由倾斜，并避免旋转，这也是配平起吊工装的设计难点之一；

（3）配重块的固定应注意螺栓防松，否则在风电机组运行过程中，配重块脱落将造成严重后果。

4 结论

[1] 哈尔滨工业大学理论力学教研组. 理论力学[M]. 北京:高等教育出版社,2009.

[2] 姚兆生,译.机械零件强度计算手册[M].北京:机械工业出版社, 2009.

[3] 侯先勤. ProE4.0中文野火版产品设计实例精讲[M]. 西安:西安交通大学出版社, 2009.

[4] 詹友刚. Pro/ENGINEER中文野火版4.0 高级应用教程[M]. 北京:机械工业出版社, 2008.

[5] 雏志资讯. EXCEL函数与公式综合应用技巧大全[M]. 北京:人民邮电出版社, 2012.