基于Workbench的風力發電齒輪箱扭力臂優化設計

2014-12-03 07:55:54高圣安

重型機械 2014年4期

高圣安

(荊州巨鯨傳動機械有限公司，湖北荊州 434000)

0 前言

風力發電作為一種新型的清潔能源，對減少大氣污染，保護生態環境具有重要意義，越來越受到重視。由于風力發電齒輪箱不同于工業齒輪箱，其設計及使用壽命要求在20年以上［1］，同時由于風力發電齒輪箱同機艙一同安裝在塔架上，所以對齒輪箱的質量有嚴格規定。風機認證國際標準IEC、GL都對齒輪箱的可靠性的要求非常高［2］。因此，本文通過有限元分析，對齒輪箱結構危險點進行強度優化，滿足安全系數要求，同時對過富裕的設計進行優化，降低零件質量，使整體齒輪箱達到即滿足安全系數要求，同時降低齒輪箱重量的最優狀態［3］。

1 扭力臂分析模型的建立

扭力臂的實際模型非常復雜，分布著許多螺栓孔、密封溝槽、倒角以及其它工藝結構等特征，這些特征對危險點的強度幾乎不產生影響，但是會導致網格劃分時產生細小、數量很大且不規則的網格及節點，影響計算效率，所以在進行有限元計算前，對扭力臂進行了簡化，刪除一些對結果不產生較大影響的特征［4］，但是連接用的螺栓孔等因其會對扭力臂的分析結果產生影響均被保留。簡化前后的扭力臂模型如圖1、2所示。

圖1 簡化前的模型Fig.1 Model before simplification

圖2 簡化后的模型Fig.2 Model after simplification

2 輪轂載荷的轉化

如圖3所示，風力發電機設計計算的載荷坐標一般是基于輪轂的坐標中心。客戶提供的疲勞載荷和極限載荷見表1，本文僅使用極限載荷進行靜強度計算，但其模型也可以用于疲勞載荷的計算。

圖3 載荷坐標系Fig.3 Load coordinate system

表1 客戶提供的極限載荷Tab.1 Extreme load from customer

表1中的2 MW風力發電機傳動系統包括輪轂、主軸、主軸軸承、齒輪箱、發電機及聯軸器，如圖4所示。主軸為3點支撐，即只有一個主軸軸承，輪轂的彎矩及力會轉化到齒輪箱上。

圖4 風力發電機傳動系統Fig.4 Wind turbine drive chain

根據傳動鏈上零件的位置分布，將位于輪轂中心的載荷轉化到齒輪箱，同時根據齒輪箱內部結構，對傳遞到扭力臂上的載荷進行詳細分析。

3 Workbench FEA模型的建立和計算

將簡化過的扭力臂模型輸入到Workbench，由于扭力臂上的輸入扭矩來自與其連接的內齒圈，箱體上也有一些載荷(如重力、太陽輪輸出至第二級的反扭矩)等，所以同時也需要將內齒圈和箱體的簡化模型分別輸入到Workbench。輸入完成后的模型如圖5所示。

圖5 輸入至Workbench的模型Fig.5 Workbench model

3.1 主要參數的選擇

有限元分析前，需要設置一些基本的輸入參數:扭力臂材料為 EN-GJS-400-18LT;材料局部安全系數γm≥1.1(IEC);失效嚴重性局部安全系數 γn≥1.5(GL)。

3.2 載荷及約束條件的輸入

扭力臂在實際運行中的載荷及連接包括力、彎矩、軸承的位置約束以及和內齒輪的聯接等，即:內齒圈的扭矩，內齒圈齒部的徑向力，扭力臂機艙彈性支撐的徑向力，齒輪箱體的重力及反扭矩，行星架兩端軸承的圓柱面的約束。扭力臂與內齒圈的聯接，在FEA中將其設置為剛性聯接。將所有的載荷和約束輸入到Workbench后，得到的模型如圖6所示。