某風力發電機齒輪箱行星架的有限元分析

任文彬，王碧石

大慶油田裝備制造集團銷售公司，黑龍江大慶 163311

0 引言

風力發電的過程就是將風能轉化為電能的過程。通常風輪的轉速很低，遠達不到發電機發電所要求的轉速，必須通過增速器齒輪副的增速作用來實現，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鍵零部件，工作時承受較大的隨機扭轉載荷。行星架一旦失效，會導致整個齒輪箱的失效、風力發電機停機，所以要在設計階段確保行星架不發生破壞

本文將運用有限元分析軟件ANSYS-WORKBENCH(AWB)對行星架進行線性靜力結構分析，證實該行星架符合風電的相關規定。

1 行星架有限元模型的建立

AWE的實體建模功能，比ANSYS有所提高，但相對于專業CAD軟件，還是有所欠缺。而AWE可以通過IGES格式導入由各個CAD軟件所作的實體模型，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格式導入數據而造成的單元丟失等問題，保證了最好的CAE結果。

1.1 三維模型的建立

圖1 行星架的三維實體模型

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

將行星架的三維圖導入到AWB中，在“Engineering Data”菜單下輸入行星架的的材料參數，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1可知QT700-2的抗拉強度為700MPa，屈服強度為420 MPa，密度為7 300kg/m3，彈性模量為1.55GP，泊松比為0.27。

1.2 網格劃分

網格的質量對分析的結果有重要的影響，網格劃分越細，結點越多，計算結果越精確，不過網格加密到一定程度后計算的精度的提高就不明顯了，而且越密集的網格就意味著需要花費更多的計算時間。所以網格劃分的原則是：對零件受力處和應力梯度變化明顯處（如應力集中處）細化網格，對應力、變形變化平緩的區域不必細化網格。

AWB軟件中，默認利用10節點的四面體單元和20節點的六面體單元劃分單元。由于該行星架的尺寸較大，不宜選用過細的網格劃分，所以對其采用AWB默認的網格劃分，并在扭矩輸入的部分1（見圖1），可能發生應力集中的圓角過度處和與軸承配合的部分2、3上細化網格。網格劃分的結果共有77367個單元，126389個節點。

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來源：自身產生的重力、脹緊套給予的預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構分析過程中，應該考慮這三種載荷的共同作用。

由于部分1的結構較為簡單，所以將轉矩轉化為三個大小相等，成逆時針分布的三個力，施加在與太陽輪配合的三對孔上。脹緊套的預緊力以Press（壓力）的形式施加在部分1上。重力則以標準的地球重力加速度施加在整個系統中。

在約束方面，由于部分1的結構較為簡單且應力集中較小，故將其設為Fixed Support（固定約束），約束全部六個自由度；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個自由度，僅允許切向旋轉。

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 靜力學分析結果

線性靜力結構分析可得到多種不同結果：各個方向和全部的變形，應力應變分量，主應力應變或者應力應變不變量，支反力等。本文主要要得到行星架的應力與變形的相關結果。

行星架的應力云圖如圖3所示，等效應力（von-Mises）的范圍為0MPa ～191MPa，最大應力出現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，該位置產生了較大的應力集中，符合力學原理。行星架的最大應力遠小于QT700-2的許用應力，符合設計要求。

行星架主要的變形是因扭轉產生的，所以這里采用柱坐標系，觀察零件在Y軸方向上的旋轉位移。柱坐標系和變形云圖如圖4所示，最大變形為-0.605mm（即零件在逆時針方向旋轉了0.605mm），出現在最外圈。根據公式1，算出扭轉角φ等于0065°，小于許用的0.292°（文獻2中規定），證明了行星架的變形量符合設計要求。

r表示半徑，s表示位移，φ表示扭轉角

圖3 行星架的應力云圖

圖4 行星架的位移云圖

4 結論

本文通過有限元法對風力發電機齒輪箱的行星架進行了靜力學分析。通過靜力學分析可以了解行星架的應力和變形情況，證明該行星架的設計符合相關標準的要求。本文的結論有助于對行星架的結構進行進一步優化，本文的方法也可以用于其它產品的開發階段，有利于提高產品設計的一次通過率，降低研發成本和縮短研發周期。

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

[2]中國船級社.風力發電機組規范[M].北京：人民交通出版社，2003.