任文彬，王碧石

大慶油田裝備制造集團(tuán)銷售公司，黑龍江大慶 163311

0 引言

風(fēng)力發(fā)電的過程就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過增速器齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn)，而行星齒輪增速箱（文中簡稱為齒輪箱）是最為常見的一種。

行星架是齒輪箱中的關(guān)鍵零部件，工作時(shí)承受較大的隨機(jī)扭轉(zhuǎn)載荷。行星架一旦失效，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)齒輪箱的失效、風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)，所以要在設(shè)計(jì)階段確保行星架不發(fā)生破壞

本文將運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS-WORKBENCH(AWB)對行星架進(jìn)行線性靜力結(jié)構(gòu)分析，證實(shí)該行星架符合風(fēng)電的相關(guān)規(guī)定。

1 行星架有限元模型的建立

AWE的實(shí)體建模功能，比ANSYS有所提高，但相對于專業(yè)CAD軟件，還是有所欠缺。而AWE可以通過IGES格式導(dǎo)入由各個(gè)CAD軟件所作的實(shí)體模型，而且對于主流的CAD軟件還集成有專門的插件，避免了以往通過IGES格式導(dǎo)入數(shù)據(jù)而造成的單元丟失等問題，保證了最好的CAE結(jié)果。

1.1 三維模型的建立

圖1 行星架的三維實(shí)體模型

根據(jù)廠家提供的圖紙，采用三維CAD軟件Solidworks，建立了行星架的三維實(shí)體模型，如圖1所示。

將行星架的三維圖導(dǎo)入到AWB中，在“Engineering Data”菜單下輸入行星架的的材料參數(shù)，以便建立行星架的有限元模型。本文中，行星架采用QT700-2，查找文獻(xiàn)1可知QT700-2的抗拉強(qiáng)度為700MPa，屈服強(qiáng)度為420 MPa，密度為7 300kg/m3，彈性模量為1.55GP，泊松比為0.27。

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的質(zhì)量對分析的結(jié)果有重要的影響，網(wǎng)格劃分越細(xì)，結(jié)點(diǎn)越多，計(jì)算結(jié)果越精確，不過網(wǎng)格加密到一定程度后計(jì)算的精度的提高就不明顯了，而且越密集的網(wǎng)格就意味著需要花費(fèi)更多的計(jì)算時(shí)間。所以網(wǎng)格劃分的原則是：對零件受力處和應(yīng)力梯度變化明顯處（如應(yīng)力集中處）細(xì)化網(wǎng)格，對應(yīng)力、變形變化平緩的區(qū)域不必細(xì)化網(wǎng)格。

AWB軟件中，默認(rèn)利用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元和20節(jié)點(diǎn)的六面體單元?jiǎng)澐謫卧Ｓ捎谠撔行羌艿某叽巛^大，不宜選用過細(xì)的網(wǎng)格劃分，所以對其采用AWB默認(rèn)的網(wǎng)格劃分，并在扭矩輸入的部分1（見圖1），可能發(fā)生應(yīng)力集中的圓角過度處和與軸承配合的部分2、3上細(xì)化網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的結(jié)果共有77367個(gè)單元，126389個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 受力與約束

在工作過程中，行星架中的部分1與脹緊套相配合，并將脹緊套傳遞來的工作扭矩傳至行星輪系。在行星架的工作過程中，行星架所受的載荷有三個(gè)來源：自身產(chǎn)生的重力、脹緊套給予的預(yù)緊力和由葉輪方向輸入的工作扭矩。所以在行星架的線性靜力結(jié)構(gòu)分析過程中，應(yīng)該考慮這三種載荷的共同作用。

由于部分1的結(jié)構(gòu)較為簡單，所以將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為三個(gè)大小相等，成逆時(shí)針分布的三個(gè)力，施加在與太陽輪配合的三對孔上。脹緊套的預(yù)緊力以Press（壓力）的形式施加在部分1上。重力則以標(biāo)準(zhǔn)的地球重力加速度施加在整個(gè)系統(tǒng)中。

在約束方面，由于部分1的結(jié)構(gòu)較為簡單且應(yīng)力集中較小，故將其設(shè)為Fixed Support（固定約束），約束全部六個(gè)自由度；部分2、3是與軸承配合的部分，故施加Cylindrical Support(圓柱面約束)，約束5個(gè)自由度，僅允許切向旋轉(zhuǎn)。

具體的受力與約束情況如圖2所示。

圖2 行星架的受力和約束

3 靜力學(xué)分析結(jié)果

線性靜力結(jié)構(gòu)分析可得到多種不同結(jié)果：各個(gè)方向和全部的變形，應(yīng)力應(yīng)變分量，主應(yīng)力應(yīng)變或者應(yīng)力應(yīng)變不變量，支反力等。本文主要要得到行星架的應(yīng)力與變形的相關(guān)結(jié)果。

行星架的應(yīng)力云圖如圖3所示，等效應(yīng)力（von-Mises）的范圍為0MPa ～191MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在既處于過度圓角上，又靠近行星架與行星輪相連接的位置，該位置產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，符合力學(xué)原理。行星架的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于QT700-2的許用應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)要求。

行星架主要的變形是因扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，所以這里采用柱坐標(biāo)系，觀察零件在Y軸方向上的旋轉(zhuǎn)位移。柱坐標(biāo)系和變形云圖如圖4所示，最大變形為-0.605mm（即零件在逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)了0.605mm），出現(xiàn)在最外圈。根據(jù)公式1，算出扭轉(zhuǎn)角φ等于0065°，小于許用的0.292°（文獻(xiàn)2中規(guī)定），證明了行星架的變形量符合設(shè)計(jì)要求。

r表示半徑，s表示位移，φ表示扭轉(zhuǎn)角

圖3 行星架的應(yīng)力云圖

圖4 行星架的位移云圖

4 結(jié)論

本文通過有限元法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的行星架進(jìn)行了靜力學(xué)分析。通過靜力學(xué)分析可以了解行星架的應(yīng)力和變形情況，證明該行星架的設(shè)計(jì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。本文的結(jié)論有助于對行星架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，本文的方法也可以用于其它產(chǎn)品的開發(fā)階段，有利于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次通過率，降低研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期。

[1]科標(biāo)工作室.國內(nèi)外金屬材料手冊[M].南京：江蘇科技出版社，2005.

[2]中國船級社.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2003.