風電機組輪轂組件配平程序的設計

翟曉江，張宏偉

（1. 金風科技股份有限公司，北京 100176；2. 大連冶金軸承股份有限公司，遼寧 大連 116202）

0 引言

風電機組的輪轂是連接葉片和主軸之間的核心部件，葉片將流動的風能通過輪轂和主軸作用轉換成旋轉的勢能，帶動發電機發電。在風電機組中，輪轂是體積和重量較大的旋轉體。因此，在風電機組設計時，應保證輪轂的重心與旋轉中心重合，不產生不對稱離心力，保證輪轂和葉片旋轉平穩。由于輪轂在制造過程中無法保證重心與旋轉中心重合，重心的偏心產生不對稱離心力，使得輪轂和主軸受到額外載荷。在此額外載荷的受力方向產生微小變形，使得輪轂和主軸在旋轉中產生振動。在振動的影響下，風電機組的各個連接件和軸承會產生松動和過度磨損，降低風電機組的使用壽命。因此，有必要在風電機組裝配過程

中通過加裝配平塊配平的方式消除輪轂重心與旋轉中心的偏心，使得輪轂的重心與旋轉中心重合，消除輪轂和主軸在旋轉中產生振動，保證風電機組的使用壽命。確定配平塊重量和位置的配平程序是配平的關鍵技術，該程序能夠準確計算出配平塊重量及位置，同時解決了國外的配平程序，只能用于單一機組的問題。

1 配平原理及計算

1.1 配平的力學原理

如圖1所示，配重塊配平產生的力F為空間平行力系，力的方向垂直向下，力對點O的矩為一矢量，矢量的大小為兩倍的三角形面積（F×L），矢量的方向如圖1所示(垂直于三角形)，即空間平行力F對點O的矩矢等于矩心到該力作用點的矢徑與該力的矢量積，MO(F0)=F×L；

當配重塊在配重塊安裝孔（兩處）對點O矩的矢量和等于輪轂配平后在發電機安裝法蘭孔所放置的配重塊對點O產生的矩時，即可認為輪轂已經配平。

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 數學計算

1.2.1 參數設置

（1）假設發電機安裝法蘭孔的數量為60；

（2）序號0的法蘭孔的位置如圖1所示；

（3）孔的序號為N。

1.2.2 公式推導

如圖2所示：

∠A=∠B=120°＋8°－∠C=128°－∠C

式中∠C即配重塊放置位置與中心線的夾角

∠D=60°是一定值

根據解三角形公式，正弦定理：

配重塊的重量：

同理，可推導出不同的配重塊放置法蘭孔序號，配重塊在不同的安裝位置的質量，如表1所示。

2 程序設計

2.1 邏輯分析

（1）當放置配重塊的法蘭孔序號為2－21時，配重塊的安裝位置為位置1、2；

（2）當放置配重塊的法蘭孔序號為22－41時，配重塊的安裝位置為位置2、3；

（3）當放置配重塊的法蘭孔序號為42－59、0、1時，配重塊的安裝位置為位置3、1。

表1 配重塊質量的計算公式

2.2 配平程序的流程圖

配平程序流程圖如圖3所示。

2.3 程序語言

2.3.1所使用的函數說明[5]

函數說明如表2所示。

2.3.2配平程序的語言

配平程序的語言如表3所示。

3 配平過程

3.1 配平工藝

（1）使用配平起吊工裝將輪轂組件吊起；

（2）在水平面上校準水平儀，將水平儀放置在輪轂法蘭平面上，確定輪轂的傾斜方向；

（3）根據輪轂的傾斜方向確定配重塊在法蘭孔上的放置位置，將配重塊放在發電機連接法蘭孔上，以配平輪轂；

（4）輪轂配平后，記錄放置配重塊的法蘭孔序號（詳見圖2）及質量，并將數據輸入配平程序中，配平程序將確定出配重塊的安裝位置，并計算出每個安裝位置安裝配重塊的重量；

（5）使用螺桿、螺母，將配重塊固定在輪轂上，配重塊應在變槳法蘭板兩側對稱放置。

表2 EXCEL程序的語法及說明

表3 配平程序的語言

3.2 影響配平精度的因素

（1）變槳法蘭板的位置精度將影響力矩臂L的大小，從而影響配平程序的計算結果。因此，對于輪轂鑄件，變槳法蘭板的位置精度應是重點控制的檢驗項目；

（2）配平起吊工裝的精度，配平起吊工裝自身的尺寸中心應與起吊中心重合。否則，在配平過程中將把配平起吊工裝的不平衡帶入到輪轂的配平過程中去；

（3）配平起吊工裝的中心應與輪轂的回轉中心重合，否則配平將沒有意義。因此，在配平起吊工裝的設計過程中要注意定位基準面的選擇，確保中心的重合；

在建筑產業的施工現場管理過程中，項目的前期設計階段可以讓各個模塊的人員主動積極參與其中，通過對BIM技術的有效運用搭建出高效的工作平臺，從而對整個項目進行統籌安排和優化設計，使得信息更為準確有效地進行傳遞，同時加強各個部門和專業技術人員之間的聯系和溝通，增強彼此之間的默契，提高工作效率和工作質量，減少在實際工作中由于信息傳遞滯后、缺乏準確性導致設計施工出現變更和問題。對于項目施工過程的管控，相關工作人員可以通過BIM技術的有效運用對整個項目的施工進度進行對比分析，及時調整工作進度，優化施工過程和施工程序，對人員調度和資源配置進行合理安排。

（4）隨著風電機組功率的增大，直驅風電機組輪轂裝配后的重量達到20t－30t，配平起吊工裝在起吊輪轂后，不可避免會產生較大的彈性變形，若變形量過大，將會影響配平的精度。因此，在配平起吊工裝設計的過程中，懸臂梁設計首要考慮的問題應是剛性而不是強度。

3.3 配平過程的注意事項

（1）根據配平程序的計算原理，配重塊應在變槳法蘭板兩側對稱放置，切不可在一側放置；

（2）在配平過程中，配平起吊工裝應保證輪轂能在360°任意方向穩定、自由傾斜，并避免旋轉，這也是配平起吊工裝的設計難點之一；

（3）配重塊的固定應注意螺栓防松，否則在風電機組運行過程中，配重塊脫落將造成嚴重后果。

4 結論

[1] 哈爾濱工業大學理論力學教研組. 理論力學[M]. 北京:高等教育出版社,2009.

[2] 姚兆生,譯.機械零件強度計算手冊[M].北京:機械工業出版社, 2009.

[3] 侯先勤. ProE4.0中文野火版產品設計實例精講[M]. 西安:西安交通大學出版社, 2009.

[4] 詹友剛. Pro/ENGINEER中文野火版4.0 高級應用教程[M]. 北京:機械工業出版社, 2008.

[5] 雛志資訊. EXCEL函數與公式綜合應用技巧大全[M]. 北京:人民郵電出版社, 2012.