齒厚制造誤差對風電齒輪傳動系統性能的影響

尹瑞權

（山東金寶電子股份有限公司設備項目處,山東 煙臺 265400）

齒厚制造誤差對風電齒輪傳動系統性能的影響

尹瑞權

（山東金寶電子股份有限公司設備項目處,山東 煙臺 265400）

考慮齒輪的齒厚誤差因素，基于RomaxDesigner建立了某2.0MW風電齒輪箱傳動系統的數值模型。研究了齒輪齒厚誤差對齒輪傳動系統中各齒輪齒面接觸應力、齒根彎曲應力的影響，從而提出了通過進行誤差控制來提高齒輪傳動性能的具體措施。分析結果表明，加工齒輪時，相比于初始設計值，較小的齒厚預存量將會提高齒輪的承載能力。

風電齒輪傳動系統;齒厚誤差;應力

0 引言

風電齒輪箱具有運行噪音大、體積笨重等缺點，而對于任何機械裝備來說，機械零件誤差是引起動力學行為的一個重要因素。王秋志等[1]利用ABAQUS分析了制造、安裝誤差對風電齒輪傳動系統中圓柱滾子軸承靜力學性能的影響，得到了各誤差對圓柱滾子軸承接觸應力影響權重。秦大同[2]等對風電齒輪箱傳動系統進行動力學方程的建立，分析了考慮誤差情況下的傳動系統動力學響應。上述文獻并未分析不同類型的誤差對齒輪嚙合性能影響的差別。本文旨在通過利用RomaxDesign軟件，以某2.0MW風電齒輪箱傳動系統第一級行星傳動系統為基體，將齒輪齒厚制造誤差對傳動性能的影響進行分析，提出了通過控制誤差來提高齒輪傳動性能的具體措施。

1 風電齒輪箱傳動系統結構及相關參數

（1）齒輪箱傳動系統結構形式及參數。某2.0MW風電齒輪箱傳動系統三維實體模型如圖1所示。本文主要以低速級行星齒輪傳動為例來分析齒厚制造誤差對傳動性能的影響，設計參數如表1所示。

（2）載荷工況確定。通過AR模型[3,4]模擬得到隨機風速時程曲線。本文載荷工況定義為：主軸輸入轉速為14r/min；輸入扭矩為1.49e6Nm；輸入功率為2231.2638kW；輸出轉速為1293r/min；輸出扭矩為1.648e4Nm。

2 齒輪齒厚制造誤差分析

3 齒厚制造誤差對齒輪應力的影響

第一級行星齒輪傳動中各齒輪應力隨誤差變化而變化的情況分別如圖2所示（誤差-接觸應力曲線）和如圖3所示（誤差-齒根彎曲應力曲線）。圖2中的誤差值取值均為負數，在物理量上表示為制造時齒厚數值的值比理論設計值小，即在精加工時，會將齒厚適當減小。從圖2可以看出，太陽輪、行星輪1、2、3對應的4條曲線基本呈線性遞減變化，且變化率基本相同，即隨著齒厚制造誤差的增大，齒輪受到的接觸應力逐漸減小，且減小的幅度基本相同。從圖3可以看出，4條齒厚誤差-彎曲應力曲線基本呈線性遞減變化，且變化率基本相同，即隨著齒厚制造誤差的增大，齒輪受到的彎曲應力逐漸減小，且減小的幅度基本相同。比較圖2和圖3可以發現，隨著齒厚制造誤差的增大，各齒輪的接觸應力和彎曲應力都逐漸減小，兩圖中4條曲線的變化率基本相同，但各齒輪彎曲應力的變化率要大于接觸應力的變化率，即彎曲應力對齒厚制造誤差的變化比接觸應力更加敏感。物理意義上表示為，在加工齒輪時，齒厚的預存量最好應該小于理論設計量，但在誤差范圍內，越靠近齒厚的理論設計值，則相應的接觸應力和彎曲應力值就越小，即齒輪的壽命更長，可靠性更高。

圖2 齒厚制造誤差對接觸應力的影響

圖3 齒厚制造誤差對彎曲應力的影響

4 總結

本文首先分析了齒厚誤差計算方式及，然后基于齒厚誤差建立了系統的RomaxDesign模型對其性能分析：接觸應力和彎曲應力都隨齒厚誤差的增大而減小；雖然齒根彎曲應力對齒厚誤差的變化較敏感，但在齒厚設計值的基礎上，小量增大齒厚，將提高齒輪的承載能力。

[1]王秋志,蔣瑋,劉華漢.制造與裝配誤差對圓柱滾子軸承接觸應力的影響 [J].現代機械,2016,(04)：32-7.

[2]秦大同,周志剛,楊軍,et al.隨機風載作用下風力發電機齒輪傳動系統動態可靠性分析[J].機械工程學報,2012,(03)：1-8.

[3]GUALTIERI G,SECCI S.Methods to extrapolate wind resource to the turbine hub height based on power law：A 1-h wind speed vs.Weibull distribution extrapolation comparison[J]. Renew Energ,2012(43)：183-200.

[4]舒新玲,周岱.風速時程AR模型及其快速實現[J].空間結構, 2003(04)：27-32+46.

[5]聞邦春.機械設計手冊齒輪傳動[M].北京：機械工業出版社, 2014.

圖5

參考資料：

[1]火電廠熱控系統可靠性配置與事故預控》

[2]DL/T261《火力發電廠熱工自動化系統可靠性評估技術導則》

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.029