1.5MW风电轮毂加工与检测方法探讨

1.5MW风电轮毂加工与检测方法探讨

朱瑜

中钢集团邢台机械轧辊有限公司

摘要：文中阐述了研究风电轮毂制造和检测的重要性和难点，介绍了应用加工胎具进行加工的制造方案和采用激光跟踪仪进行测量的测量方案。

关键词：风电 轮毂 加工检测方法

Machining and Inspection Method of the Wheel Hub for

Wind Power Generation System

Zhu Yu

Abstract: The importance of inspecting wheel hub for wind power generation system has been elaborated in this paper,and the difficulty of the machining and inspection has been analyzed as well. In this paper the machining proposal by means of claming-fixture and measuring proposal by means of laser automatictracker.

Key words: wind power generation system, wheel hub, machining and inspection method

概述：为在“十一五”期间单位GDP能耗减少20%，国家确定了将核电、风电、水电等绿色能源作为主要发展方向。风力发电设备是将风的动能转变成旋转机械能从而带动发电机发电。风轮是风电设备关键的部件。风轮由3 个叶片和1 个轮毂组成。轮毂是联接叶片与主轴的零件，其作用是承受风力作用在叶片上的推力、扭矩、弯矩及陀螺力矩然后将风轮的力和力矩传递到机械机构中去，可见轮毂是风轮乃至风力发电设备的重要零件。

1.5MW风机的轮毂的结构特殊、形状复杂，如图1所示，以轮毂安装基准面的上孔的轴线为基准，其余三个叶片安装孔的轴心线与其相交于同一点，俗称三孔对中，或四线交于一点。该中心点是风电机组转子及叶片的旋转中心，直接影响机组的安全运行，在设计图样及技术规范中对该中心都提出了较高的精度要求。因此必须采取一套特殊有效的加工和测量方法，

对轮毂相关的要素进行精确加工和测量，确保三孔对中。

一、 利用加工胎具的加工方法

三个叶片安装孔成120°±0.1°的夹角，而且与主轴安装孔中心线的夹角都是93.5°±0.1°。这就给我们提出了两点基本也是最重要的要求：加工叶片安装孔时必须将使用胎具将主轴安装孔倾斜3.5°使叶片安装孔端面保持竖直；三个叶片安装孔加工时必须精确分度。

1.1、如图2所示在胎具上设计了φ1230g6的凸止口作为主要定位结构，与轮毂上的φ1230H7的凹止口相配合。

1.2、将上面与底部安装基准面之间的夹角设计为3.5°，并在胎具上设

计了特殊的加工测量工艺孔保证夹角的正确性。如图3所示。

图中，尺寸DI、D2、D3、D4为要重点保证的尺寸，可以保证3.5°的公差在±0.1°之间，从而保证了叶片安装面与主轴安装面之间夹角93.5±0.1°。计算过程如下：

①当尺寸D1＝190.6、D2＝233.6、D4＝699.95时，角度θ为最大值。 θmax=arctg((D2-D1)/D4)= arctg((233.6-190.6)/699.95)=3.516°

②当尺寸D1＝190.8、D2＝233.4、D4＝700.05时，角度θ为最小值。 θmin=arctg((D2-D1)/D4)= arctg((233.4-190.8)/700.05)=3.482°

通过计算可以看出，由于控制了几个关键的检测尺寸，充分保证了倾角的准确。利用胎具上设计出的倾角将叶片安装孔端面保持竖直，从而可以在镗床加工叶片安装孔上的面和孔。

1.3、要使得三个叶片安装面之间的夹角均匀分布均为120°±0.1°，需要在与圆周上设计均匀分布的定位机构。

首先，加工轮毂主轴安装面时，将其上的46-M42孔其中一个（位于其中一个角部的正下方）加工为φ35H7的定位销孔。

再在胎具上设计配套的定位销孔φ35H7，并加工8个φ45的定位螺栓孔如图4。轮毂与胎具的φ1230H7/g6的凹凸止口配合后，插入定位销实现定位，再把紧螺栓M42X100。但是有一个问题，此定位是两销一面定位，属于过定位，因此必须设置适当的公差值。在轮毂上的φ1350螺栓安装孔

公差±0.2mm，在胎具上φ1350螺栓安装孔的公差±0.1mm，则此配合最大中心不重合偏差为±0.15mm。轮毂首先基于φ1230的凹凸止口定位，配合公差为H7/g6，其最小配合间隙为0.028mm，因此可以抵消定位销孔的最大中心不重合偏差0.014mm。两个偏差相件减最大中心不重合偏差达到±0.136mm，则选用的定位销和定位销孔之间的配合间隙应满足±0.136*2=0.272mm。考虑到实际加工时所有尺寸均达到极限的概率，因此定位销孔的公差设计为φ35H7（0 ~+0.025）mm，把定位销的公差设计为负差φ35（-0.2~-0.25）mm，利用定位销孔与定位销之间的配合间隙可以弥补过定位引起的基准不重合误差造成的干涉，可以实现顺利定位。

最后为了实现三个叶片安装孔的圆周三等分的目的，必须使轮毂在胎具上正、反各旋转120°后实现再次定位，再准确旋转120°后第三次定位。为此胎具上的定位销孔和螺栓孔设计了三套，成120°的夹角，三个定位销孔之间的距离1169.13设计公差±0.1mm。上一步中已经计算出最大中心不重合偏差φ1350±0.136mm。

① 半径取最小值675-0.136、孔间距取最大值1169.13+0.1时，夹角β达到最大值。βmax=2*arcsin(1169.23/2/674.864)=2*60.028°=120.056°； ② 半径取最小值675+0.136、孔间距取最大值1169.13-0.1时，夹角β达

到最小值。βmin=2*arcsin(1169.03/2/675.136)=2*59.971°=119.942°。 通过计算可以看出，由于控制了定位销孔间距的公差，间接充分保证了孔间夹角的准确也就保证了在加工过程中的三次等分圆周定位。

二、 激光跟踪仪检测方法

2.1 检测要求

三个叶片安装孔要求以120°±0.1°的角度在球面上均匀分布；其轴心线与基准孔端面形成3.5°±0.1°的风轮锥角。三个叶片安装孔的轴心线与基准轴线相交于同一点，该交点至基准孔外端面距离为（1115±0.8）mm ，交点至叶片安装孔内端面距离为（874.7±0.5）mm。基准孔直径为Ø 1230H7mm 、叶片安装孔直径为Ø 2080H8.

2.2 检测的难点

风电轮毂直径超过2 m，单个重量9 t 以上，尺寸过大，质量过重，不能进行实验室检测；被测要素相互之间成一定的空间夹角的四根轴心线“四轴共点”，其公差带的形状非常复杂,传统“土办法”或靠工艺保证进行检测，不仅测量费时费力，而且测量精度很难得到保证，存在很大质量风险。

2.3 测量设备的选择

激光跟踪仪是便携式3D 测量系统，该系统可以使用激光技术测量三维坐标。使用球型反射镜靶、高精度的角度编码器及绝对距离测量，能及时反馈3维数据，有效、精确地测量大型工件，模具及机械。采用激光自动跟踪仪进行测量时，根据所测部位大小、形状，选择适当的球型反射镜靶，利用激光光束，将测量靶从激光跟踪头引光到工件所需测量部位（测量头可随测量靶在规定范围内移动）进行采点，测量数据被自动记录。采集完所需测量元素后，根据设计的数据处理方法，仪器软件将自动处理数据，

很快得到所需测量结果。

2.4 采样点的选择与基本几何要素的建立

在基准端面和三个叶片安装孔端面上采点建立平面1、2、3、4，在基准圆柱面和三个叶片安装孔圆柱面上采点建立圆1、2、3、4，并找出各自的圆心；分别过圆心作面1、面2、面3、面4 的垂线，产生线1、线2、线3、线4。

2.5 测量数据的处理

计算出各圆直径，判断是否达到技术要求；分别作线2、线3、线4 在基准端面（面1）上的投影，计算其相互之间夹角，并判断所得结果是否满足120°±0.1°；分别计算线2、线3、线4 与面1 的夹角，并判断所得结果是否满足3.5°±0.1°；分别作线2、线3、线4 与基准轴心线（线1）的公共垂线，计算交点到基准端面（面1）的距离，判断其是否满足（1115±0.8）mm ；用相同方法计算叶片安装孔轴心线线2 与线3、线2 与线4、线2 与线1 的交点（实际也是两异面直线的投影交点）到其安装孔端面面2 的距离，均应满足（874.7±0.5）mm 。同样计算线3、线4 与其他轴心线的交点到面3、面4 的距离，判断其是否满足(874.7±0.5）mm 。检测结果见附表1.

从附表1检测结果分析，激光跟踪仪利用其三维跟踪测距原理，检测了常规不能检测的各面角度，还检测了图纸要求的形位公差，实现了全方位测量的目标。并且从结果中可以进一步验证所设计胎具的合理性和加工方法的正确性。

结论：通过对轮毂结构特点的分析，制定了合理可行的加工和检测方法，本方案完全满足风电轮毂的检测需要，并且也是既能保证加工检测精度，又能保证生产进度的高效加工和测量方案。

参考文献：

1、《机械设计手册》成大先主编，2001年，化学工业出版社。

2、《金属机械加工工艺人员手册》赵如福主编，2006年，上海科学技术出版社。

附表1：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8qfq.html