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太重_型风力发电增速齿轮箱有限元分析
导读：第33卷??第6期????????????????????????太重??型风力，太重??型风力发电增速齿轮箱有限元分析，(太原重工股份有限公司齿轮传动分公司,??山西太原??030024)，摘要??风电增速齿轮箱在兆瓦级风力发电机中属易过载和损坏率较高的部件,对其性能进，本文中利用ANSYS软件对太重??型两级行星一级平行轴1.5MW风力发电增速齿轮，关键词??风力发电??增速齿轮箱??有限第33卷??第6期????????????????????????太重??型风力发电增速齿轮箱有限元分析????????????????????????????????55????文章编号:09)06-0055-06太重??型风力发电增速齿轮箱有限元分析(太原重工股份有限公司齿轮传动分公司,??山西太原??030024)(大连理工大学机械工程学院,??辽宁大连??116024)??郭爱贵??范为民??魏??静??孙??伟摘要??风电增速齿轮箱在兆瓦级风力发电机中属易过载和损坏率较高的部件,对其性能进行分析,预测其性能并进行优化是十分必要的。本文中利用ANSYS软件对太重??型两级行星一级平行轴1.5MW风力发电增速齿轮箱进行有限元分析,对太重??型风力发电增速齿轮箱各级齿轮强度进行校核,得到了各级齿轮副的齿廓和齿向修形数据;对行星轮系载荷均载特性、主箱体组件、行星架、花键联接等进行分析,得到了风力发电增速齿轮箱各级零部件强度和刚度等相关数据,为风电增速齿轮箱的可靠性评估及优化设计奠定基础。关键词??风力发电??增速齿轮箱??有限元??性能分析0??引言风电增速齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和损坏率较高的部件。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处,受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击,常年经受酷暑严寒和极端温差的影响,加之所处自然环境交通不便,风电齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内,一旦出现故障,修复非常困难,故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求[1]。我国风电发展经历了约20年时间,开展研究的单位目前主要有新疆金风、大连华锐、南高齿、重齿、郑州机械研究所、重庆大学等单位[2]1-4、[3]图1??齿轮箱几何模型????随着风力发电机组向大型化发展,对齿轮箱寿命和可靠性的要求也越来越高,对风电增速箱结构件进行计算分析也显得越来越重要。本文中我们以载荷谱当量载荷为输入载荷,从静力学角度对太原重工研制的太重??型1.5MW风电增速齿轮箱的各级齿轮副强度、齿廓和齿向修形、主箱体、行星架等进行分析,为齿轮箱的可靠性评估及参数优化提供数据支持,对大型风电齿轮箱的高可靠性和轻量化设计具有重要意义。[J].电机与控制应用,):31-34.[2]??林勇刚.大型风力机变桨距控制技术研究[D].杭州:浙江大学,.[3]??叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社,.[4]??黄朝阳.风力发电变桨距传动及控制系统的虚拟设计[D].西安:西安理工大学,.[5]??勒古里雷斯.风力机的理论与设计[M].施鹏飞,译.北京:机械工业出版社,.[6]??徐灯锋.Pro/Mechanism/MECHANICAWildfire2.0机构/运动/结构/热力分析[M].北京:电子工业出版社,.收稿日期:[2]4-8、[4]。太原重工股份有限公司从2006年进入风电行业,经过近3年的努力,相继研制出太重??型、太重??型、太重??型等3种型号的1.5MW风电增速齿轮箱。太重??型1.5MW风电增速齿轮箱采用两级行星一级平行轴形式,几何模型如图1所示。满足了变桨距机构的功能要求。4??结束语长期以来,电动变桨距机构一直被限制在电机的领域范围内,国内外未见其他形式的应用于风力发电机组。我们提出了一种新的结构应用??????电作动筒变桨传动机构,并通过Pro/E参数化建模,结合MATLAB/Simulink进行仿真、分析,得出结论,此变桨距机构是可行的,这为风机以后的国内外优化设计提供了更好的基础。参考文献[1]??刘光德,邢作霞,李科,等.风力发电机组电动变桨距系统的研究作者简介:李志梅(1979-),女,山东诸城人,硕士,讲师??56????????????????????????????????????????????????机械传动????????????????????????????????????????????2009年1??齿轮副有限元分析风电增速齿轮箱在传递功率时,各零部件会产生不同程度的弹性变形,其中轮齿变形与传动过程中的冲击、振动关系非常密切,而齿面接触应力和齿根弯曲应力的大小又与齿轮轮齿的折断和工作齿面的点蚀、胶合等失效形式关联。风电齿轮箱中的齿轮工况复杂、载荷大,因此对风电齿轮箱中的齿轮进行接触分析具有重要的价值。我们除按照标准对太重??型风力发电增速齿轮箱各级齿轮强度进行校核外,同时运用ANSYS软件对各级齿轮的接触情况进行分析。由于篇幅有限,本文中我们只给出行星轮系中第一级行星轮和内齿圈以及高速级齿轮副的接触分析的分析过程及结果。1.1??行星轮系有限元分析[5]位,因此,如果想降低行星轮和内齿圈的变形量和接触应力,可以考虑对行星轮和内齿圈齿形进行修形。图4??内齿圈与行星轮接触应力分布同时,理论分析表明,在各项误差综合作用下,第一级行星轮系的均载系数为1.130,第二级行星轮系的均载系数为1.146;在只考虑齿轮齿形误差的情况下,第一级行星轮系的均载系数为1.049,第二级行星轮系的均载系数为1.051。太重??型风电增速齿轮箱利用太阳轮浮动进行均载,两级行星轮系的均载系数均较小,均载效果较好。1.2??高速级齿轮副接触分析及修形当齿轮受载后,由于轴承游隙的存在使得齿轮轴在力的作用下产生一定的倾斜,进而影响齿轮的接触情况,并且由于热源的存在影响齿轮副的接触情况。因此有必要对在考虑轴承游隙以及热力耦合情况对齿轮副的接触情况进行分析。将输出轴与空心轴一起建模,空心轴大齿轮与小齿轮接触齿部分定义接触对,空心轴与太阳轴通过花键与太阳轴联接,花键部分通过刚性耦合定义,最后在太阳轴上加载转矩,所建立的有限元模型如图5所示。图2??内齿圈与行星轮有限元模型为能更好的了解各个齿面的变形和接触情况,现将行星轮和内齿圈在某一瞬时接触的3个齿依次进行编号。第一级行星轮和内齿圈接触的有限元网格划分如图2a、图2b所示。施加载荷与约束后,利用ANSYS进行分析,得到内齿圈与行星轮应力应变如图3所示;齿轮副中3个齿的接触应力分布见图4。图5??高速级齿轮副分析有限元模型图3??内齿圈与行星轮变形云图为得到大、小齿轮的齿廓和齿向修形数据,需要从有限元分析结果中提取齿轮的弯曲、扭转以及齿轮的总体最大变形数据,图6所示为小齿轮弯曲与扭转变形曲线,图7所示为大、小齿轮整体变形云图。将齿轮两端面扭转变形量转化到分度圆上的扭转角即可得到齿轮的螺旋角修形量。本文中分析了考虑轴承游隙以及热力耦合效应影响和不考虑轴承游隙以及热力耦合效应影响两种情况。根据后处理结果可知:考虑轴承游隙后高速级大行星轮最大变形量为0.0175mm,内齿圈最大变形量为0.0139mm,均发生在齿顶部位。最大接触应力为416MPa,发生在3号齿的接触线顶部。根据分析结果可知,行星轮系和内齿圈的变形很小,接触应力也很小,满足材料的刚度和强度要求。目前,在大多数风电增速齿轮箱的设计上不要求对行星轮和内齿圈进行修形。事实上,通过分析可知,行星轮和内齿圈的最大变形发生在齿顶部位,而最大的接触应力也发生在齿顶和齿根部第33卷??第6期????????????????????????太重??型风力发电增速齿轮箱有限元分析????????????????????????????????57????小齿轮的弯曲应力均较没有考虑轴承游隙情况下有所增加,但幅值不大,均在许用齿根弯曲应力范围内。考虑轴承游隙后,高速级大小齿轮的扭转变形有较大变化,其中大齿轮在非接触齿上扭转变形增加,而小齿轮在非接触齿上的扭转变形减小;在弯曲变形上,大齿轮变化不是很大,而小齿轮在考虑轴承游隙之后弯曲变形明显增加。齿轮副第二级行星轮第三级大齿轮第三级小齿轮接触应力/MPa左齿面841.050.右齿面381..57弯曲应力/MPa左齿面215..0000右齿面191.????注:表中数值为??0.0000??表示非工作齿面。2??箱体组件有限元分析2.1??箱体组件静力分析风电齿轮箱箱体组件是整个齿轮箱的外壳,同时又是齿轮轴的支承体。考虑到实际工作过程中,上下箱体、内齿圈、法兰盘通过螺栓紧密地联接在一起,不允许有任何相对运动,各体之间协调一致共同承担内部部件的作用,因此在有限元分析中把各体当作一个图6??小齿轮弯曲与扭转变形曲线整体进行分析的方案比较符合实际情况。为保证几何真实性,在有限元建模时,直接由箱体组件的ug/Para-solid/x-t文件格式向ANSYS中导入其几何实体模型,然后基于该实体模型进行网格划分。箱体组件有限元模型及其载荷和约束加载如图8所示。箱体组件应力及应变云图如图9所示。箱体组件第一主应力为137MPa,出现在法兰盘的转角处,由于箱体组件采用QT400,其抗拉强度极限是400MPa,屈图7??齿轮副整体变形云图服极限是250MPa,远小于材料的屈服极限。同时,从箱体组件应力云图可以看出,整个箱体组件的其它部位应力水平都较低。因此,从静强度观点出发,箱体组件结构强度是可靠的。在考虑热力耦合之后,高速级齿轮副大小齿轮副的弯曲变形影响不大。考虑热力耦合效应后,小齿轮的最大扭转变形以及非接触齿上的弯曲变形量均减小。热力耦合效应对齿轮副接触齿上的扭转变形影响不大,但对非接触齿的扭转变形影响较大。1.3??有限元结果与DIN标计算比较为对各级齿轮有限元分析结果进行验证,现将利用DIN计算的各级齿轮副强度列于表1中。通过比较可知,利用有限元法得到的各级齿轮副的接触、弯曲应力均要小于按照DIN得到的接触、弯曲应力。这主要是由于在利用有限元法进行齿轮副接触分析时没有考虑齿轮使用系数、应力修正系数、寿命系数等造成的。表1??各级齿轮副强度[6]图8??箱体组件有限元模型及加载图9??箱体组件应力及应变??58????????????????????????????????????????????????机械传动????????????????????????????????????????????2009年及环境温度的影响下,达到热平衡时箱体组件各处的温度分布。箱体组件受热主要是由于运动部件的摩擦生热引起,主要有两种,一种是齿轮间相互啮合造成功率损失,一种是轴承部件的发热。根据各运动部件的实际工作情况和结构,采取经验公式确定各热源及热交换边界条件。采用六面体8节点的solid70有限元单元。箱如图10、图11所示。图10??箱体组件热分析有限元模型小,经过计算可知高速级输入轴与输出轴轴承孔之间的平行度误差为0.000629度,与不考虑热力耦合效应情况下基本相同(见2.4节)。2.3??箱体组件模态分析模态是机械结构的固有振动特性,每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型[7]。对于增速箱的振动来说,重要的是求得若干低阶固有频率及其振型。风电齿轮增速箱是一个连续的弹性体结构系统,要获得一个复杂振动系统的精确解是很困难的。在工程中,运用有限元方法可以较好地得出近似解,从而为系统振动分析提供一个有效的方法。由振动理论知,结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合,其中低阶固有频率比高阶频率对结构的振动影响大,低阶频率对结构的动态特性起决定性作用。又由于阻尼的存在使共振振幅逐渐减小,在相同的阻尼下,高频率比低频率的共振振幅降低的程度大。所以,在实际分析中前三阶的频率对机器的振动起决定作用。运用ANSYS对太重??型风电增速齿轮箱箱体组件的模态进行分析,得到箱体组件前三阶振型如图13体组件热分析有限元模型以及箱体组件的温度场分布图11??箱体组件的温度场分布所示。把热分析结果作为已知条件,在相应的部位施加温度载荷,应力场部分的载荷与静力分析时一样,同样在相应的部位施加自由度约束,集中力载荷,面应力载荷等边界条件,在这两种边界条件下进行热应力耦合场计算。图12所示为热力耦合之后的箱体组件应力应变云图。图12??箱体组件热力耦合场下等效应力应变图13??箱体组件各阶振型通过图12可以看出,热力耦合场作用下箱体组件变形量为:X方向的最大变形量为0.772mm,比静载荷多0.451Y方向的最大变形量为0.231mm,比静载荷多0.128Z方向的最大变形量为0.601mm,比静载荷多0.022最大变形量为0.857mm,比静力分析时的总变形量大0.274mm。热力耦合作用下箱体组件最大等效应力为145MPa,与只考虑静力情况下基本相同,最大应力出现的位置也基本相同。热力耦合作用,通过分析可知,箱体组件第一阶振型的振动方式是以支撑法兰为支点的上下单摆振动;第二阶振型的振动方式是以支撑法兰为支点的左右单摆振动;第三阶振型的振动方式是以支撑法兰为支点的前后往复振动。箱体组件各阶振型频率见表2所示。表2??箱体组件各阶振型频率阶次频率124.072120.933136.324228.455257.376270.24??,第33卷??第6期????????????????????????太重??型风力发电增速齿轮箱有限元分析????????????????????????????????59????的横向或扭转频率,因此不会引起共振。箱体的振动主要以支撑法兰为中心进行的上下、左右、前后运动。对兆瓦级风电增速齿轮箱来说,支撑法兰处应该采取合理有效的降振措施,而采用弹性支撑是一种比较合理的结构。2.4??箱体轴承孔平行度计算平行度误差即计算各轴线间的平行度偏差。该增速箱高速级轴承是由两根轴构成,由于箱体变形后轴承孔并不是一直线,为简化分析,本文中我们仅考虑相邻轴承孔轴线间的关系。高速级4个轴承孔前后端面中心处的变形量见表3。表3??各轴承孔变形量各轴承孔端面中心点变形量xA前A后C前C后B前B后D前D后0.089990.020322y0........z-0........SYS,如图14所示。图14??行星架有限元模型及网格划分行星架材料采用QT700-2A,弹性模量E=2.07??1011Pa,泊松比??=0.3,密度7830kg/m3;在轴承座上施加面应力,将轴承座处的集中应力按余弦函数分布方式加载到对应面上,如图15所示。图15??行星架载荷加载通过对两级行星架进行有限元计算及后处理,主要结论如下:第一级、第二级行星架在额定载荷工况下的最大应力主要发生在行星轮孔边缘处,最大变形发生在轴承孔的外边缘处及行星架后端。第一级行星架最大应力为103.561MPa,最大变形为0.109mm,发生在转矩输入处。该变形量大小对行星轮轴销孔变形及平行度基本无影响;第二级行星架最大应力为129.016MPa,最大变形为0.054mm。两级行星架应力及变形均在许用范围内,满足设计要求。行星架应力和应变云图如图16所示。????为计算轴线间的偏差,将各轴承座前后端变形后的圆心点坐标联接成一根轴线。高速级各轴承孔之间的平行度角度偏差值列于表4。表4??各轴承孔之间的平行度角度偏差值:(度)轴承A-BA-CA-DB-CB-DC-D平行度0.0256132????通过表4可知,高速级输入轴与输出轴之间的平行度最大误差仅为0.000635度。因此,箱体变形对轴承座的影响很小。3??行星架有限元分析由于行星架结构复杂、承受力矩大、质量和尺寸也较大,所以它的变形对行星级的内外啮合齿轮传动的质量和可靠性有很大影响。因此,要求行星架要有足够的强度、刚度和较小的尺寸、质量。因此,对行星架图16??行星架应力和应变云图以三倍载荷为其极限载荷,经过分析可知,两级行星架在极限载荷工况下的最大应力主要发生在行星轮孔边缘处,最大变形发生在轴承孔的外边缘处及行星311.最大??60????????????????????????????????????????????????机械传动????????????????????????????????????????????2009年变形为0.326第二级行星架最大应力为386.22MPa,最大变形为0.165mm。应力以及变形在许用范围内,满足设计要求。靠近转矩输入端1/3位置接触应力较大;针对同一级内外花键,在相同载荷作用下,外花键的整体最大总体变形量大于内花键的整体最大总体变形量。根据有限元分析结果,太重??型风电增速齿轮箱两级花键联接强度和刚度均满足设计要求。4??花键联接有限元分析花键在传递转矩时,会产生不同程度的弹性变形,风电齿轮箱工况复杂、载荷大,因此对风电齿轮箱中的花键进行接触分析具有重要价值。按照转动方向根据花键齿数将所有接触齿面定义接触对,取内花键齿面为目标面,外花键齿面为接触面。整体网格划分效果如图17所示。5??结论利用ANSYS对太原重工股份有限公司研制的太重??型1.5MW风电增速齿轮箱进行了有限元分析。根据分析结果,太重??型两级行星一级平行轴1.5MW风力发电增速齿轮箱中关键零部件均满足设计要求;从静力学角度来看,该型号风电增速齿轮箱完全能够满足可靠性要求[8-设计要求。在接下来的研究中,将从动力学角度对风电增速齿轮箱性能进行预测和评估,并考虑变负荷对齿轮箱传动性能的影响,为齿轮箱动态性能分析及参数优化10]。目前,该型号风电增速齿轮箱已开始生产试车,运行效果良好,各项指标均满足图17??花键联接有限元模型提供更加合理的数据支持。参考文献第一级外花键的整体变形云图如图18所示,最大总体变形量为0.023mm。第一级内花键的最大总体变形量为0.0055mm。从变形量来看,外花键的变形量要大于内花键变形量。[1]??刘忠明,段守敏,王长路.风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望[J].机械传动,-6.[2]??邢子坤.基于动力学的风力发电机齿轮传动系统可靠性评估与参数优化[D].重庆:重庆大学,.[3]??刘忠明,尚珍,董进朝,等.风电增速齿轮箱齿轮设计计算若干问题探讨[J].机械传动,-12.[4]??PeetersJ,VandepitteD,SasP.Analysisofinternaldrivetraindynamicsinawindturbine[J].WindEnergy,):141-161.[5]??刘庆国,杨庆东.ANSYS工程应用教程:机械篇[M].北京:中国铁道出版社,.[6]??DIN:Calculationofloadcapacityofcylindricalgears-Part3:Calculationoftoothstrength[S].[7]??崔志琴,杨瑞峰.复杂机械结构的参数化建模及模态分析[J].机械工程学报,):234-237.[8]??全国风力机械标准化技术委员会.GB/T1风力发电机组齿轮箱[S].北京:中国标准出版社,2009.[9]??ISO5:Windturbines-Part4:DesignandSpecificationofGearboxes[S].[10]??ANSI/AGMA/AWEA6006-A03:Standardfordesignandspecificationofgearboxesforwindturbines[S].图18??花键联接变形云图由于花键联接是轴对称结构,所以以上接触应力分析结果只提取其中一个齿面来查看。某一个花键齿面的接触应力云图如图19所示,最大接触应力为176.198MPa,发生在在靠近转矩输入端的齿根处。通过分析可知,由于扭转变形等原因,花键联接在图19??花键齿面接触应力云图收稿日期:作者简介:郭爱贵(1966-),男,山西省绛县人,高级工程师包含总结汇报、自然科学、出国留学、医药卫生、高中教育、外语学习、农林牧渔以及太重_型风力发电增速齿轮箱有限元分析等内容。本文共2页
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