劉芝娜，于艷麗

（中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司，北京 100006）

1.5MW風(fēng)力發(fā)電齒輪箱箱體的有限元分析

劉芝娜，于艷麗

（中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司，北京 100006）

通過(guò)對(duì)1.5MW風(fēng)電齒輪箱的有限元分析，得出影響箱體發(fā)生變形的各種因素。

風(fēng)電齒輪箱；風(fēng)力發(fā)電；有限元

1 1.5MW風(fēng)電齒輪箱箱體模型

很多大功率的風(fēng)電齒輪箱的結(jié)構(gòu)都是由一級(jí)行星和二級(jí)定軸傳動(dòng)構(gòu)成，正在進(jìn)行研發(fā)的1．5MV風(fēng)電齒輪箱的結(jié)構(gòu)也是這種。1．5MV風(fēng)電齒輪箱的箱體主要分為四個(gè)部分：前箱體、內(nèi)齒圈、后上圈箱以及后下箱。這是一種結(jié)構(gòu)以及承載力都比較復(fù)雜的機(jī)架，是通過(guò)力學(xué)的理論和公式進(jìn)行計(jì)算后得到的結(jié)果，所以，必須要用有限元進(jìn)行精準(zhǔn)的分析。

1.1 幾何模型

在分析的過(guò)程中，不但要對(duì)模型進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，還要保證計(jì)算的效率，因?yàn)?．5MV風(fēng)電齒輪箱結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，所以要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

（1）對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響小的環(huán)節(jié)可以忽略不計(jì)，比如一些油孔和監(jiān)控孔。（2）采取適量的等效措施。

利用Unigraphics NX2．0建立箱體結(jié)構(gòu)三維模型，使建模方便了很多。如果在進(jìn)行有限元分析的時(shí)候發(fā)現(xiàn)不合理的地方，可以通過(guò)以下原則進(jìn)行調(diào)整：將原箱體的結(jié)構(gòu)更清晰的展示出來(lái)；將應(yīng)力分布特征進(jìn)行真實(shí)的顯示。

1.2 有限元模型

對(duì)建好的幾何模型進(jìn)行有限元分析，被分析的箱體參數(shù)如表1所示。

表1

由于箱體具備復(fù)雜性，所以在進(jìn)行分析的時(shí)候要在10節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)劃分，并且，為了分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸入軸和輸出軸對(duì)1．5MW風(fēng)電齒輪箱箱體的影響，可以增加兩個(gè)mass21單元，將輸出和輸入軸進(jìn)行連接，以達(dá)到進(jìn)行傳遞支撐以及彎矩的目的。

2 荷載與位移約束

1．5MW風(fēng)電齒輪箱的外載荷主要由重力載荷、內(nèi)齒圈的嚙合力和軸承載荷三部分組成。

重力載荷能夠通過(guò)將重力施加到實(shí)體的離散模型中，可以很大幅度的提升準(zhǔn)確度，不需要再進(jìn)行另外的處理。行星齒輪主要起到過(guò)渡的作用，主要有向載荷和周向(切向)載荷兩部分。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，結(jié)構(gòu)中的軸承支反力都是統(tǒng)一計(jì)算。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，所有的軸承的荷載卻都是通過(guò)軸承外圈或者軸承座來(lái)進(jìn)行傳遞的，是面上的分布?jí)毫奢d。

在這次分析中，軸向載荷和軸承蓋在面上或外圈的壓力是等效的，為120°左右的分布?jí)毫?，詳?xì)的推導(dǎo)如下：

將軸承座的中心位置作為坐標(biāo)的原點(diǎn)，集中徑向力的方向作為x軸，同時(shí)設(shè)立也軸，建好坐標(biāo)，計(jì)算方式如下。

那么壓力分布函數(shù)在徑向力方向上的積分就應(yīng)該是：

那么軸承座的徑向壓力分布載荷的統(tǒng)一形式如下：

從以上的計(jì)算得出：Fr為軸承座所承載的壓力；B為軸承外圈或軸承座的寬度；R是外圈或軸承座的外徑；θ是軸承的作用范圍，-60°≤θ≤60°。

在一些大型的風(fēng)力發(fā)現(xiàn)箱中都是有8個(gè)軸承作為支座，通過(guò)以上計(jì)算可以得出結(jié)論：在這種箱體的結(jié)構(gòu)中，軸承的承載力和方向會(huì)對(duì)箱體的應(yīng)力分布產(chǎn)生很大的影響。

一般的齒輪箱都要在下箱體安裝一個(gè)支撐來(lái)固定箱體，有時(shí)候也會(huì)在輸入以及輸出的兩側(cè)安裝一個(gè)和地面垂直的大法蘭。而風(fēng)力發(fā)電的電齒輪箱的整體系統(tǒng)卻是經(jīng)過(guò)箱體的支承軸來(lái)進(jìn)行支撐的，這是風(fēng)電齒輪箱體和一般的齒輪箱之間的最大區(qū)別。

由于風(fēng)電齒輪箱本身具備的特殊性，所以在進(jìn)行分析的時(shí)候，如是只是在風(fēng)電齒輪箱的箱體兩側(cè)的支承軸周?chē)M(jìn)行加位和約束的話，那在經(jīng)過(guò)最開(kāi)始的計(jì)算之后就能知道，風(fēng)電齒輪箱體會(huì)在重力的作用下發(fā)生變化，而箱體發(fā)生最大變化的變形量會(huì)超過(guò)0．15mm，而且變化所呈現(xiàn)的變化曲線是最為典型的懸臂彎曲曲線，這種曲線和實(shí)際工作中所允許產(chǎn)生的變量和所表現(xiàn)出來(lái)的曲線存在一些差異。所以，在進(jìn)行分析的時(shí)候，不可以忽視箱體外部支承通過(guò)聯(lián)接軸對(duì)箱體產(chǎn)生的影響，這是非常重要的。

通過(guò)對(duì)已知的條件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電齒輪箱體的輸入和輸出是經(jīng)過(guò)兩個(gè)軸承力實(shí)現(xiàn)支撐的：一個(gè)是經(jīng)過(guò)脹套聯(lián)接到前箱體的軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐，另外一個(gè)是通過(guò)箱體軸向外伸出接近葉輪周?chē)妮S承來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐。不過(guò)風(fēng)電齒輪箱的輸出軸會(huì)經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器來(lái)達(dá)到和電機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，發(fā)電機(jī)的支座在一定程度上也會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電齒輪箱箱體的支承產(chǎn)生影響，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候也要考慮到這一點(diǎn)，否則箱體就有可能處于懸臂狀態(tài)，無(wú)法正常工作。

3 強(qiáng)度與剛度分析

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，齒輪箱體應(yīng)當(dāng)具有一定的穩(wěn)定性、強(qiáng)度以及剛度。這主要是因?yàn)辇X輪箱體是箱殼式機(jī)架。在不同載荷的作用下，設(shè)計(jì)人員要能夠通過(guò)分析箱體的剛度和強(qiáng)度來(lái)找到應(yīng)力和變形的變化規(guī)律。這對(duì)于工程設(shè)計(jì)具有著非常重要的作用。在設(shè)計(jì)大型機(jī)架時(shí)，強(qiáng)度通常表現(xiàn)的非常直觀。而剛度雖然對(duì)系統(tǒng)的正常工作有著直接的作用，但是剛度的指標(biāo)卻得不到人們的重視。本文主要通過(guò)變形云圖以及軸承座軸截面位移來(lái)分析齒輪箱體的剛度。

3.1 重力載荷單獨(dú)作用

從變形云圖中可以看出，箱體的支點(diǎn)是前箱體兩側(cè)的支承軸，并且整個(gè)箱體的趨勢(shì)為懸臂下彎。這導(dǎo)致箱體沒(méi)有較強(qiáng)的外部支承作用。然而在電機(jī)支承的作用下，輸出軸承座局部的變形量會(huì)非常的小。這在很大程度上提高了整個(gè)箱體的剛度。在自身重力的作用下，箱體上大部分地方的拉應(yīng)力都小于1MPa。只有前箱體支承軸孔集中區(qū)域的拉應(yīng)力達(dá)到了2MPa。輸出軸的軸承座集中區(qū)域的拉應(yīng)力大約為5MPa。這兩個(gè)區(qū)域的拉應(yīng)力都是因?yàn)榈挚怪亓Χa(chǎn)生的，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)這兩部分的設(shè)計(jì)。

3.2 內(nèi)齒圈輪齒嚙合力單獨(dú)作用

在內(nèi)齒圈輪齒的作用下，箱體的嚙合力為徑向力和切向力。從整體上來(lái)說(shuō)，三個(gè)行星輪的對(duì)稱(chēng)性會(huì)使徑向力消失，對(duì)箱體其他部位沒(méi)有太大的影響。但是三對(duì)齒輪嚙合力的疊加產(chǎn)生了切向力。這導(dǎo)致箱體發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形，如圖1所示。

圖1

內(nèi)齒圈嚙合力的作用會(huì)使后箱體整個(gè)部位的拉應(yīng)力不超過(guò)2MPa。拉應(yīng)力主要集中在嚙合齒輪部位。同時(shí)，和內(nèi)齒圈相連的圓柱狀箱體部位的拉應(yīng)力達(dá)到了20MPa。切向力不僅會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變形效應(yīng)，還會(huì)使前箱體的支承軸孔以及過(guò)渡區(qū)域產(chǎn)生了能夠抵抗旋轉(zhuǎn)變形的拉應(yīng)力。

3.3 軸承載荷單獨(dú)作用

箱體工作最主要的載荷為軸承載荷。對(duì)于使用側(cè)邊支承的箱體而言，軸承載荷的大小和方向?qū)τ谙潴w所承受的應(yīng)力具有著非常重要的作用。齒輪的嚙合樁體也會(huì)受到箱體軸承座變形量的影響。本文主要通過(guò)分析軸承座軸向中截面的變形量來(lái)對(duì)箱體的剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4 全載荷作用

在全載荷的作用下，箱體的狀態(tài)保持為彈性變形。因此，箱體可以利用不同載荷線性作用力的疊加來(lái)獲取應(yīng)力。箱體應(yīng)力的分布和軸承載荷單獨(dú)作用有著很多相似的特點(diǎn)，并且箱體應(yīng)力也會(huì)受到內(nèi)齒圈載荷引起的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。前箱體右側(cè)支承軸孔和箱體的過(guò)渡區(qū)下緣集中區(qū)域的應(yīng)力達(dá)到了40MPa。該應(yīng)力主要是由內(nèi)齒圈輪齒嚙合的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的。另外，輸出軸凸緣附近區(qū)域的應(yīng)力也十分的明顯。該區(qū)域的應(yīng)力是在軸承座處承擔(dān)的支承箱體作用產(chǎn)生的。

[1]黃智勇,陳偉．高速列車(chē)傳動(dòng)齒輪箱箱體強(qiáng)度分析和試驗(yàn)[J]．機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2004(01):1．

[2]陳智芳,姚建偉．高速萬(wàn)向軸式動(dòng)力轉(zhuǎn)向架體懸齒輪箱的研究[J]． 機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2002(04):2．

[3]楊成云,林騰蛟,李潤(rùn)方,杭華江．中心傳動(dòng)齒輪箱體有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．重型機(jī)械，2001(02):1-2．

TM614

A

1671-0711（2017）10（下）-0111-02