蒲海豐?王關(guān)平?王曉寅

摘要：本文用solidworks，建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱三維實體模型，并且利用插件solidworks? simulation進(jìn)行仿真;得出齒輪箱各零部件的應(yīng)變、應(yīng)力圖以及仿真結(jié)果分析報告等;為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和技術(shù)改造提供參考

關(guān)鍵詞：齒輪箱;solidworks;仿真

一、引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在環(huán)境保護(hù)問題非常嚴(yán)重的當(dāng)前形勢下，在世界范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注，并已在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行了大力的開發(fā)利用。中國的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)在“十二五”、“十三五”期間，得到了快速的跨越式發(fā)展成為繼火力發(fā)電、水力發(fā)電之后的第三大能源。

隨著我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品占據(jù)市場份額的比例越來越大，我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品設(shè)計制造技術(shù)水平得到了長足的發(fā)展，形成了具有較強(qiáng)競爭力的完整的產(chǎn)業(yè)體系，包含風(fēng)力發(fā)電原材料加工、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備零部件制造、風(fēng)力發(fā)電整機(jī)制造、風(fēng)力發(fā)電場開發(fā)建設(shè)、以及風(fēng)力發(fā)電檢測認(rèn)證體系等各個環(huán)節(jié)，同時風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品制造設(shè)計實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，機(jī)組類型涵蓋了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)、直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)和混合式發(fā)電機(jī)，單機(jī)發(fā)電容量從1.5MW迅速發(fā)展到現(xiàn)在最大的6MW級，并實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電從陸地到海上的跨域。[1]

風(fēng)電機(jī)組中的齒輪箱在風(fēng)電機(jī)組中非常重要，其主要作用是將風(fēng)作用到葉片上，使得葉片旋轉(zhuǎn)。葉片帶動齒輪箱低速軸轉(zhuǎn)動通過齒輪傳動帶動風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，由于在通常狀況下葉片的轉(zhuǎn)速很低，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所需要的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪箱增速來實現(xiàn)，通過齒輪箱的增速，使得發(fā)電機(jī)輸入軸獲得比較高的轉(zhuǎn)速進(jìn)行發(fā)電。

因此增速齒輪箱設(shè)計及制造非常關(guān)鍵。相對于其他工業(yè)齒輪箱，風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計更為苛刻，可靠性和使用壽命比一般機(jī)械高得多，通常要求設(shè)計壽命不少于20年這是因為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作環(huán)境比較惡劣一般安裝在高山，荒漠、海灘等風(fēng)口處，受無規(guī)律的變化的風(fēng)力作用以及強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊，常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒的影響，一些極端天氣狀況的出現(xiàn)，都可能導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障，加之所處自然環(huán)境交通不便，齒輪箱安裝在塔頂機(jī)艙狹小空間內(nèi)，在這樣的環(huán)境下安裝的像在地面那樣具有牢固的機(jī)座基礎(chǔ)，是不現(xiàn)實的，也是不可能的，一旦發(fā)生故障，修復(fù)非常困難。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱工作環(huán)境惡劣，所受載荷復(fù)雜傳統(tǒng)的設(shè)計方法，不能夠滿足設(shè)計要求，當(dāng)前隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，如果在風(fēng)電設(shè)備設(shè)計開發(fā)制造中使用這種技術(shù)憑借其強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計能力及有限元分析，根據(jù)產(chǎn)品使用設(shè)計要求，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的過程中，不斷修改設(shè)計方案，修改零件尺寸，直到達(dá)到設(shè)計要求，并且進(jìn)行應(yīng)變、應(yīng)力分析，校核強(qiáng)度，這樣能夠盡可能的縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低新產(chǎn)品研發(fā)成本，產(chǎn)品研發(fā)人員可以依靠這些技術(shù)大大縮短設(shè)計時間，從而使產(chǎn)品快速、高效地投向市場。

本文主要利用機(jī)械領(lǐng)域優(yōu)秀的設(shè)計軟件solidorks2018建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱三維實體模型并在此基礎(chǔ)上利用solidorks2018軟件所帶插件? solidworks simulation? 對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱仿真。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱三維模型的建立

SolidWorks軟件，目前在航天航空、工程機(jī)械、礦山冶金機(jī)械、電子通信、醫(yī)療器械、石化機(jī)械等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

運(yùn)用solidorks2018軟件可以首先繪制齒輪箱的每一個零件如圖1所示， 然后將每一個零件進(jìn)行組裝，在裝配時要注意運(yùn)用約束配合關(guān)系如重合、對稱、平行、同軸、垂直、相切等，通過這些約束配合關(guān)系的限定使得整個裝配過程猶如在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中進(jìn)行零件組裝一樣[2]，最終得到的齒輪箱裝配圖如圖2所示。

solidorks2018軟件可以實現(xiàn)尺寸驅(qū)動，通過這項功能可以非?？旖莸母淖凖X輪箱裝配體中零件的某些尺寸，并進(jìn)行模型重建，其它零件會根據(jù)約束關(guān)系做出相應(yīng)的變化，裝配體并不需要拆卸后重新裝配，此外solidorks2018軟件能夠模擬裝配體在運(yùn)動過程中，檢查零件與零件之間是否會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，如圖3所示這種功能可以優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)計，節(jié)約材料成本，避免資源浪費，從而及早發(fā)現(xiàn)問題及時對零部件進(jìn)行修改，避免真正實物安裝時，產(chǎn)生干涉碰撞而無法安裝。通過零件實體建模，零件組裝，干涉檢查，最終建立了齒輪箱的虛擬樣機(jī)圖如圖4所示。

三、仿真分析

齒輪箱裝配體的三維模型建立以后，就可以通過Solidworks? simulation進(jìn)行仿真，可以對于齒輪箱進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變和位移等方面的仿真分析。如圖5所示，其過程是[2]

（一）點擊simulation下拉菜單中的算例，打開按鈕其中有算例類型，有靜態(tài)、頻率、疲勞、線性動力等。選擇確定分析類型。

（二）齒輪箱零件材料的設(shè)置，從材料庫選擇或用戶通過輸入彈性模量、屈服強(qiáng)度等參數(shù)。自定義材料。

（三）載荷/夾具下拉菜單，夾具下拉菜單下有固定幾何體、固定鉸鏈、滾珠等形式，載荷可以施加力和力矩等。

（四）網(wǎng)格劃分即不能網(wǎng)格劃分過細(xì)又不能太粗選擇比較恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分也可以參考電腦推薦的網(wǎng)格劃分進(jìn)行。

（五）運(yùn)行仿真分析（網(wǎng)格劃分后就可以運(yùn)行仿真分析）。

（六）查看仿真結(jié)果，仿真分析結(jié)果中，可以顯示正應(yīng)力、剪應(yīng)力、各個方向上的應(yīng)變、各個方向上的位移以及合位移。

按照上述仿真分析過程對于齒輪箱進(jìn)行分析，產(chǎn)生word文檔的算例如圖6所示。

四、結(jié)語

利用solidworks對齒輪箱進(jìn)行計算機(jī)仿真， 能夠快速便捷的建立實體裝配模型，利用solidworks simulation進(jìn)行靜力學(xué)，動力學(xué)分析并形成分析報告，從而可以實現(xiàn)快速化設(shè)計，大大縮短設(shè)計時間。仿真分析結(jié)果為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚興佳，劉穎明，宋筱文.我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)展及趨勢[J]《太陽能》- 2016-10-28

[2] 蒲海豐，王曉寅，王關(guān)平，張彬?；趕olidworks的cb-b125齒輪泵仿真研究

[J]《甘肅廣播電視大學(xué)學(xué)報》- 2019-06-15

[3]劉曉琴，丁杰.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的齒輪泵設(shè)計[J].制造技術(shù)與機(jī)床2009（4）： 45-46

基金項目：甘肅廣播電視大學(xué)課題“基于虛擬樣機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱動態(tài)特性研究”（編號：2015-ZD-01）