1.5MW風力發電齒輪箱箱體的有限元分析

劉芝娜，于艷麗

（中國船級社質量認證公司，北京 100006）

1.5MW風力發電齒輪箱箱體的有限元分析

劉芝娜，于艷麗

（中國船級社質量認證公司，北京 100006）

通過對1.5MW風電齒輪箱的有限元分析，得出影響箱體發生變形的各種因素。

風電齒輪箱；風力發電；有限元

1 1.5MW風電齒輪箱箱體模型

很多大功率的風電齒輪箱的結構都是由一級行星和二級定軸傳動構成，正在進行研發的1．5MV風電齒輪箱的結構也是這種。1．5MV風電齒輪箱的箱體主要分為四個部分：前箱體、內齒圈、后上圈箱以及后下箱。這是一種結構以及承載力都比較復雜的機架，是通過力學的理論和公式進行計算后得到的結果，所以，必須要用有限元進行精準的分析。

1.1 幾何模型

在分析的過程中，不但要對模型進行準確的描述，還要保證計算的效率，因為1．5MV風電齒輪箱結構具有復雜性，所以要進行簡化處理。

（1）對結構產生影響小的環節可以忽略不計，比如一些油孔和監控孔。（2）采取適量的等效措施。

利用Unigraphics NX2．0建立箱體結構三維模型，使建模方便了很多。如果在進行有限元分析的時候發現不合理的地方，可以通過以下原則進行調整：將原箱體的結構更清晰的展示出來；將應力分布特征進行真實的顯示。

1.2 有限元模型

對建好的幾何模型進行有限元分析，被分析的箱體參數如表1所示。

表1

由于箱體具備復雜性，所以在進行分析的時候要在10節點進行自動劃分，并且，為了分析風力發電機組輸入軸和輸出軸對1．5MW風電齒輪箱箱體的影響，可以增加兩個mass21單元，將輸出和輸入軸進行連接，以達到進行傳遞支撐以及彎矩的目的。

2 荷載與位移約束

1．5MW風電齒輪箱的外載荷主要由重力載荷、內齒圈的嚙合力和軸承載荷三部分組成。

重力載荷能夠通過將重力施加到實體的離散模型中，可以很大幅度的提升準確度，不需要再進行另外的處理。行星齒輪主要起到過渡的作用，主要有向載荷和周向(切向)載荷兩部分。

在進行設計的時候，結構中的軸承支反力都是統一計算。但在實際設計中，所有的軸承的荷載卻都是通過軸承外圈或者軸承座來進行傳遞的，是面上的分布壓力荷載。

在這次分析中，軸向載荷和軸承蓋在面上或外圈的壓力是等效的，為120°左右的分布壓力，詳細的推導如下：

將軸承座的中心位置作為坐標的原點，集中徑向力的方向作為x軸，同時設立也軸，建好坐標，計算方式如下。

那么壓力分布函數在徑向力方向上的積分就應該是：

那么軸承座的徑向壓力分布載荷的統一形式如下：

從以上的計算得出：Fr為軸承座所承載的壓力；B為軸承外圈或軸承座的寬度；R是外圈或軸承座的外徑；θ是軸承的作用范圍，-60°≤θ≤60°。

在一些大型的風力發現箱中都是有8個軸承作為支座，通過以上計算可以得出結論：在這種箱體的結構中，軸承的承載力和方向會對箱體的應力分布產生很大的影響。

一般的齒輪箱都要在下箱體安裝一個支撐來固定箱體，有時候也會在輸入以及輸出的兩側安裝一個和地面垂直的大法蘭。而風力發電的電齒輪箱的整體系統卻是經過箱體的支承軸來進行支撐的，這是風電齒輪箱體和一般的齒輪箱之間的最大區別。

由于風電齒輪箱本身具備的特殊性，所以在進行分析的時候，如是只是在風電齒輪箱的箱體兩側的支承軸周圍進行加位和約束的話，那在經過最開始的計算之后就能知道，風電齒輪箱體會在重力的作用下發生變化，而箱體發生最大變化的變形量會超過0．15mm，而且變化所呈現的變化曲線是最為典型的懸臂彎曲曲線，這種曲線和實際工作中所允許產生的變量和所表現出來的曲線存在一些差異。所以，在進行分析的時候，不可以忽視箱體外部支承通過聯接軸對箱體產生的影響，這是非常重要的。

通過對已知的條件進行分析發現，風電齒輪箱體的輸入和輸出是經過兩個軸承力實現支撐的：一個是經過脹套聯接到前箱體的軸承來實現支撐，另外一個是通過箱體軸向外伸出接近葉輪周圍的軸承來實現支撐。不過風電齒輪箱的輸出軸會經過聯軸器來達到和電機實現聯接，發電機的支座在一定程度上也會對風力發電齒輪箱箱體的支承產生影響，所以在設計的時候也要考慮到這一點，否則箱體就有可能處于懸臂狀態，無法正常工作。

3 強度與剛度分析

在設計的過程中，齒輪箱體應當具有一定的穩定性、強度以及剛度。這主要是因為齒輪箱體是箱殼式機架。在不同載荷的作用下，設計人員要能夠通過分析箱體的剛度和強度來找到應力和變形的變化規律。這對于工程設計具有著非常重要的作用。在設計大型機架時，強度通常表現的非常直觀。而剛度雖然對系統的正常工作有著直接的作用，但是剛度的指標卻得不到人們的重視。本文主要通過變形云圖以及軸承座軸截面位移來分析齒輪箱體的剛度。

3.1 重力載荷單獨作用

從變形云圖中可以看出，箱體的支點是前箱體兩側的支承軸，并且整個箱體的趨勢為懸臂下彎。這導致箱體沒有較強的外部支承作用。然而在電機支承的作用下，輸出軸承座局部的變形量會非常的小。這在很大程度上提高了整個箱體的剛度。在自身重力的作用下，箱體上大部分地方的拉應力都小于1MPa。只有前箱體支承軸孔集中區域的拉應力達到了2MPa。輸出軸的軸承座集中區域的拉應力大約為5MPa。這兩個區域的拉應力都是因為抵抗重力而產生的，應當加強這兩部分的設計。

3.2 內齒圈輪齒嚙合力單獨作用

在內齒圈輪齒的作用下，箱體的嚙合力為徑向力和切向力。從整體上來說，三個行星輪的對稱性會使徑向力消失，對箱體其他部位沒有太大的影響。但是三對齒輪嚙合力的疊加產生了切向力。這導致箱體發生了扭轉變形，如圖1所示。

圖1

內齒圈嚙合力的作用會使后箱體整個部位的拉應力不超過2MPa。拉應力主要集中在嚙合齒輪部位。同時，和內齒圈相連的圓柱狀箱體部位的拉應力達到了20MPa。切向力不僅會產生旋轉變形效應，還會使前箱體的支承軸孔以及過渡區域產生了能夠抵抗旋轉變形的拉應力。

3.3 軸承載荷單獨作用

箱體工作最主要的載荷為軸承載荷。對于使用側邊支承的箱體而言，軸承載荷的大小和方向對于箱體所承受的應力具有著非常重要的作用。齒輪的嚙合樁體也會受到箱體軸承座變形量的影響。本文主要通過分析軸承座軸向中截面的變形量來對箱體的剛度進行設計。

3.4 全載荷作用

在全載荷的作用下，箱體的狀態保持為彈性變形。因此，箱體可以利用不同載荷線性作用力的疊加來獲取應力。箱體應力的分布和軸承載荷單獨作用有著很多相似的特點，并且箱體應力也會受到內齒圈載荷引起的旋轉效應的影響。前箱體右側支承軸孔和箱體的過渡區下緣集中區域的應力達到了40MPa。該應力主要是由內齒圈輪齒嚙合的旋轉效應產生的。另外，輸出軸凸緣附近區域的應力也十分的明顯。該區域的應力是在軸承座處承擔的支承箱體作用產生的。

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