劉 哲，曹鵬飛

（中船重工集團(tuán)第七一二研究所，湖北 武漢 430063）

在傳統(tǒng)能源枯竭的今天，尋找新型清潔能源已經(jīng)成了各國能源工業(yè)的主要發(fā)展方向。風(fēng)能以其清潔無污染、儲備量大的優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛青睞。我國是能源消耗大國，風(fēng)電事業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，但風(fēng)電相關(guān)設(shè)備尤其是增速器基本依賴進(jìn)口，長此以往，必將制約我國風(fēng)電事業(yè)長期健康的可持續(xù)發(fā)展。因此，開展風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國產(chǎn)化研制工作，具有十分重要的意義。

1 傳動(dòng)方案的確定

風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器具有高功率、大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)功率分流，本文采用了行星輪系與平行軸輪系相結(jié)合的混合式增速器。傳動(dòng)原理如圖1，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖1 增速器傳動(dòng)原理圖

圖2 增速器內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)形式

風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器由兩級行星輪系和一級平行軸輪系組成，以第一級行星架為輸入端，以第三級齒輪軸為輸出端，各級齒輪參數(shù)如表1～表3所列。

表1 第一級齒輪參數(shù)

表2 第二級齒輪參數(shù)

表3 第三級齒輪參數(shù)

2 關(guān)鍵部件有限元分析

本文采用了ANSYS 對增速器中的危險(xiǎn)零件進(jìn)行了力學(xué)有限元分析。

2.1 接觸理論

為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器均安裝有控制器，使輸入轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。因此可將各齒輪的嚙合過程簡化為一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的接觸過程，受力時(shí)產(chǎn)生彈性變形。

將齒輪嚙合過程可以分為3種邊界狀態(tài)，即連續(xù)狀態(tài)、滑動(dòng)狀態(tài)、分離狀態(tài)。

在世界坐標(biāo)系下建立有限元基本方程可得式（1）：

式中，

KI、KC為輸入齒輪、輸出齒輪的剛度矩陣；

UI、UC為輸入齒輪、輸出齒輪的嚙合節(jié)點(diǎn)位移向量；

PI、PC為作用在輸入齒輪、輸出齒輪的外載荷向量；

RI、RC為接觸力向量。

用α 和β 分別表示輪齒局部坐標(biāo)系（n，t）下的第i個(gè)接觸點(diǎn)j方向上的接觸力和位移分量，a、b表示輸入齒輪、輸出齒輪，則

（1）連續(xù)狀態(tài)。

（2）滑動(dòng)狀態(tài)。

（3）分離狀態(tài)。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器危險(xiǎn)齒輪接觸分析

輪齒折斷是風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的主要失效形式，因此進(jìn)行接觸分析是很有必要的。以某級行星輪系中中心輪與行星輪接觸分析為例，步驟如下：

（1）建模。由于ANSYS 中建模過程十分復(fù)雜，所以利用其他三維建模軟件建立齒輪接觸模型，再將接觸模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中。

（2）定義接觸對。ANSYS Workbench 雖然能夠?qū)佑|對進(jìn)行智能定義，但是通常嚙合區(qū)內(nèi)的所有曲面都將被定義為接觸對，顯然這個(gè)定義是不正確的。由齒輪的嚙合過程可知，應(yīng)將從動(dòng)輪的相應(yīng)齒面定為目標(biāo)面，將主動(dòng)輪的相應(yīng)齒面定為接觸面。

（3）定義材料屬性。考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器實(shí)際工況，齒輪材料采用20CrMnTi，查閱相關(guān)材料手冊可得，彈性模量為2.06 e5 MPa，泊松比為0.29，材料密度為7.85 e-6 kg/mm3。

（4）定義目標(biāo)體和運(yùn)動(dòng)體。在接觸分析中，首先要定義剛性目標(biāo)面和運(yùn)動(dòng)面。約束和載荷施加在運(yùn)動(dòng)面上的POLOT 節(jié)點(diǎn)。我們將從動(dòng)輪定為目標(biāo)體，主動(dòng)輪設(shè)為運(yùn)動(dòng)體。

（5）劃分網(wǎng)格。ANSYS Workbench 中能夠采用智能化網(wǎng)格劃分，避免了復(fù)雜的操作。但是過于細(xì)致的網(wǎng)格，顯然是會影響計(jì)算效率的。因此，我們只需對可能發(fā)生接觸的區(qū)域內(nèi)的曲面進(jìn)行細(xì)分，其他區(qū)域則采用較為稀疏的劃分，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，提高效率。劃分結(jié)果如圖3、圖4。

圖3 網(wǎng)格劃分整體視圖

圖4 接觸面網(wǎng)格劃分視圖

（6）定義約束與載荷。根據(jù)齒輪嚙合過程，對主動(dòng)輪—行星輪施加轉(zhuǎn)矩，對從動(dòng)輪—中心輪施加圓周固定約束，釋放切向自由度，并添加反向載荷（如圖5所示）。

圖5 邊界條件效果圖

（7）求解并查看結(jié)果。結(jié)果仿真計(jì)算，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 等效應(yīng)力圖

圖7 應(yīng)力集中點(diǎn)

由圖可知，最大應(yīng)力發(fā)生在即將離開接觸的中心輪的齒根處，這與我們在工廠調(diào)研中，故障增速器的齒輪失效情況十分吻合。

3 關(guān)鍵齒輪軸模態(tài)分析

外加載荷與自身固有頻率相同發(fā)生共振現(xiàn)象，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器失效的主要故障之一。故需要通過對關(guān)鍵齒輪軸進(jìn)行模態(tài)分析加以避免。

以最后一級平行軸斜齒輪為例說明分析過程。首先，設(shè)定材料屬性并劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格類型采用空間六面體占優(yōu)型進(jìn)行劃分，如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格劃分

然后根據(jù)齒輪軸具體工況定義約束條件。即齒輪軸兩端為切向自由的圓柱支撐約束。經(jīng)求解計(jì)算得圖4所示的前十階頻率，如表4所列。

表4 斜齒輪軸前10 階頻率與總變形量

從表4可知，3 階模態(tài)時(shí)產(chǎn)生最大變形量，但齒輪自由振動(dòng)的各階頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其固有頻率，故此時(shí)齒輪軸不會發(fā)生共振，從而對增速器整體造成破壞。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并通過對關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元力學(xué)分析分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。為下一步進(jìn)行齒輪齒面修形以及增速器部件熱處理工藝設(shè)計(jì)，打下了良好的基礎(chǔ)。

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