风电增速齿轮箱关键部位齿轮的接触疲劳分析

摘 要：本文详细描述了风力发电机传动系统和增速齿轮箱的机械结构，同时从理论上和数值上对增速齿轮箱关键部位齿轮的啮合状况进行了接触分析和疲劳分析。希望通过对该方法的探讨对增速齿轮箱的齿轮设计有所借鉴。

关键词：风力发电机传动系统、增速齿轮箱、疲劳分析、接触分析

1. 风力发电机传动系统和增速齿轮箱的机械结构

如图1所示，风力发电机的机械传动结构主要由转子叶片、轮毂、低速轴和增速齿轮箱构成。其中，叶片和增速齿轮箱同为核心的机械部件。叶片将风能转化为机械能，而增速齿轮箱则负责将该机械能传递到发电机，并使其得到相应的转速。在风轮转速低，远达不到发电机发电要求的转速时，可以通过齿轮箱内齿轮副的增速作用来实现。在具体结构上，增速齿轮箱可与低速轴（主轴）直接相连，或通过收缩套/连轴节与低速轴（主轴）相连。

目前大功率风力发电机的增速齿轮箱的主要结构形式有两级行星增速、一级行星增速和两级平行轴增速两种形式。其中，两级行星增速的齿轮箱由于行星齿轮数量多，行星架的加工难度大，机构复杂，所以在技术实现上有一定难度。而一级行星增速和两级平行轴增速的齿轮箱，其结构相对简化，制造装配工艺性大为改善，同时有利于在输入端加设辅助制动功能。故此类增速齿轮箱更为常见，这里对它的机械结构加以分析。

2. 增速齿轮箱关键齿轮的接触分析和疲劳分析

2.1增速齿轮箱关键齿轮的接触分析

通过使用经典接触力学的解析法，对于一些规则几何形状的物体，比如渐开线圆柱齿轮进行分析，使用一对线接触的平行圆柱体代替某一啮合位置的实际啮合齿面，即将两个齿轮的接触问题简化为两个圆柱体的接触问题。然而这种方法应用范围十分有限，一般在工程上使用非经典接触力学的解析法。在具体分析过程中，齿轮啮合的非线性接触问题存在接触面积变化的非线性，接触压力分布变化的非线性，摩擦作用的非线性。一般来说，该类接触问题的求解是一个反复迭代计算的过程。随着计算机技术的不断进步，工程运算上的数值方法中的有限元方法也得到了广泛地应用。这里通过对齿轮啮合面的边界条件、几何形状、载荷方式等工况的设定，并通过相关的有限元软件ANSYS Workbench来完成相关数值计算来解决齿轮啮合接触问题。这里为了提高分析的效率，把失效齿轮作为主要研究对象，即三号斜齿轮，同时与之啮合的二号齿轮进行切割，保留啮合的轮齿部分，从而简化实体模型和有限元模型，以及相应的有限元网格数量，提高运算速度。在ANSYS Workbench中的基本参数输入和设定步骤包括：齿轮啮合三维模型的导入并自动转化为对应的有限元模型；齿轮材料属性的定义（其中弹性模量为2.0e5Mpa，泊松比为0.3，材料密度为7.85e-6Kg/mm3）；齿轮啮合面（三号斜齿轮啮合部分轮齿弧面为目标面，二号斜齿轮啮合部分轮齿弧面为接触面）的定义，控制刚性目标的运动；划分网格。

2.2 增速齿轮箱关键齿轮的疲劳分析

由于齿轮的啮合传动过程中齿轮的转向是固定的，轮齿从进入啮合区完成啮合后转而进入非啮合区，然后又进入啮合区的重复过程中，轮齿受到的应力可以简化为一个脉动循环的应力，遵循即由零位逐渐到峰值后再变回零位的规律，在ANSYS模拟时可以采用Zero-based模式的恒定振幅载荷图，同时可以根据实际情况来设定振幅载荷。在完成齿轮材料属性的定义后（其中弹性模量为2.0e5Mpa，泊松比为0.3，材料密度为7.85e-6Kg/mm3），进行分析计算，得到三号斜齿轮的疲劳寿命云图和疲劳损伤云图，如图2所示。可以发现，在齿根部分，由于接触应力和力矩作用的影响，而产业表面应力集中和疲劳弯曲，并不断受到此交变应力的作用，容易疲劳而产生局部断裂失效。由ANSYS分析的三号斜齿轮疲劳寿命云图可知，该齿轮齿根部分的最小疲劳寿命为8.12e8秒，而齿轮其他部分的寿命为8.64e10秒。而正常工作寿命（以20年计算）为365x24x20x60x60=6.3e8秒，可得出齿轮的最小疲劳寿命大于计算工作寿命，表明该齿轮能够在设计的工作年限内可靠连续工作。而由疲劳损伤云图可以看出在疲劳强度分析中，高强度应力和变形对轮齿的损坏程度，齿根部分由于应力最大，疲劳损伤最大，是最容易产生疲劳失效和强度失效的区域。

3.结束语

本文结合风力发电机传动系统和增速齿轮箱的传动结构，并结合某增速齿轮箱的工况，对其关键部分齿轮进行了接触分析和疲劳分析。在具体设计过程中，这种分析对于齿轮材料的选取，相关制造工艺参数的制订，以及各齿轮构上的优化都有借鉴作用。

参考文献：

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[2]唐进元，颜海燕.线外啮合齿轮传动啮合刚度计算[J]，机械传动，2002，（4）：22-24.

[3]黄晋英.发动机结构的有限元模型與动态特性分析[D]，太原：华北工学院，2000.

作者简介：

易志、男、汉、四川省、辽宁工业大学大四学生、机械设计制造及其自动化专业，主要是制造方向