1.5MW风力发电齿轮箱箱体的有限元分析

刘芝娜，于艳丽

（中国船级社质量认证公司，北京 100006）

1.5MW风力发电齿轮箱箱体的有限元分析

刘芝娜，于艳丽

（中国船级社质量认证公司，北京 100006）

通过对1.5MW风电齿轮箱的有限元分析，得出影响箱体发生变形的各种因素。

风电齿轮箱；风力发电；有限元

1 1.5MW风电齿轮箱箱体模型

很多大功率的风电齿轮箱的结构都是由一级行星和二级定轴传动构成，正在进行研发的1．5MV风电齿轮箱的结构也是这种。1．5MV风电齿轮箱的箱体主要分为四个部分：前箱体、内齿圈、后上圈箱以及后下箱。这是一种结构以及承载力都比较复杂的机架，是通过力学的理论和公式进行计算后得到的结果，所以，必须要用有限元进行精准的分析。

1.1 几何模型

在分析的过程中，不但要对模型进行准确的描述，还要保证计算的效率，因为1．5MV风电齿轮箱结构具有复杂性，所以要进行简化处理。

（1）对结构产生影响小的环节可以忽略不计，比如一些油孔和监控孔。（2）采取适量的等效措施。

利用Unigraphics NX2．0建立箱体结构三维模型，使建模方便了很多。如果在进行有限元分析的时候发现不合理的地方，可以通过以下原则进行调整：将原箱体的结构更清晰的展示出来；将应力分布特征进行真实的显示。

1.2 有限元模型

对建好的几何模型进行有限元分析，被分析的箱体参数如表1所示。

表1

由于箱体具备复杂性，所以在进行分析的时候要在10节点进行自动划分，并且，为了分析风力发电机组输入轴和输出轴对1．5MW风电齿轮箱箱体的影响，可以增加两个mass21单元，将输出和输入轴进行连接，以达到进行传递支撑以及弯矩的目的。

2 荷载与位移约束

1．5MW风电齿轮箱的外载荷主要由重力载荷、内齿圈的啮合力和轴承载荷三部分组成。

重力载荷能够通过将重力施加到实体的离散模型中，可以很大幅度的提升准确度，不需要再进行另外的处理。行星齿轮主要起到过渡的作用，主要有向载荷和周向(切向)载荷两部分。

在进行设计的时候，结构中的轴承支反力都是统一计算。但在实际设计中，所有的轴承的荷载却都是通过轴承外圈或者轴承座来进行传递的，是面上的分布压力荷载。

在这次分析中，轴向载荷和轴承盖在面上或外圈的压力是等效的，为120°左右的分布压力，详细的推导如下：

将轴承座的中心位置作为坐标的原点，集中径向力的方向作为x轴，同时设立也轴，建好坐标，计算方式如下。

那么压力分布函数在径向力方向上的积分就应该是：

那么轴承座的径向压力分布载荷的统一形式如下：

从以上的计算得出：Fr为轴承座所承载的压力；B为轴承外圈或轴承座的宽度；R是外圈或轴承座的外径；θ是轴承的作用范围，-60°≤θ≤60°。

在一些大型的风力发现箱中都是有8个轴承作为支座，通过以上计算可以得出结论：在这种箱体的结构中，轴承的承载力和方向会对箱体的应力分布产生很大的影响。

一般的齿轮箱都要在下箱体安装一个支撑来固定箱体，有时候也会在输入以及输出的两侧安装一个和地面垂直的大法兰。而风力发电的电齿轮箱的整体系统却是经过箱体的支承轴来进行支撑的，这是风电齿轮箱体和一般的齿轮箱之间的最大区别。

由于风电齿轮箱本身具备的特殊性，所以在进行分析的时候，如是只是在风电齿轮箱的箱体两侧的支承轴周围进行加位和约束的话，那在经过最开始的计算之后就能知道，风电齿轮箱体会在重力的作用下发生变化，而箱体发生最大变化的变形量会超过0．15mm，而且变化所呈现的变化曲线是最为典型的悬臂弯曲曲线，这种曲线和实际工作中所允许产生的变量和所表现出来的曲线存在一些差异。所以，在进行分析的时候，不可以忽视箱体外部支承通过联接轴对箱体产生的影响，这是非常重要的。

通过对已知的条件进行分析发现，风电齿轮箱体的输入和输出是经过两个轴承力实现支撑的：一个是经过胀套联接到前箱体的轴承来实现支撑，另外一个是通过箱体轴向外伸出接近叶轮周围的轴承来实现支撑。不过风电齿轮箱的输出轴会经过联轴器来达到和电机实现联接，发电机的支座在一定程度上也会对风力发电齿轮箱箱体的支承产生影响，所以在设计的时候也要考虑到这一点，否则箱体就有可能处于悬臂状态，无法正常工作。

3 强度与刚度分析

在设计的过程中，齿轮箱体应当具有一定的稳定性、强度以及刚度。这主要是因为齿轮箱体是箱壳式机架。在不同载荷的作用下，设计人员要能够通过分析箱体的刚度和强度来找到应力和变形的变化规律。这对于工程设计具有着非常重要的作用。在设计大型机架时，强度通常表现的非常直观。而刚度虽然对系统的正常工作有着直接的作用，但是刚度的指标却得不到人们的重视。本文主要通过变形云图以及轴承座轴截面位移来分析齿轮箱体的刚度。

3.1 重力载荷单独作用

从变形云图中可以看出，箱体的支点是前箱体两侧的支承轴，并且整个箱体的趋势为悬臂下弯。这导致箱体没有较强的外部支承作用。然而在电机支承的作用下，输出轴承座局部的变形量会非常的小。这在很大程度上提高了整个箱体的刚度。在自身重力的作用下，箱体上大部分地方的拉应力都小于1MPa。只有前箱体支承轴孔集中区域的拉应力达到了2MPa。输出轴的轴承座集中区域的拉应力大约为5MPa。这两个区域的拉应力都是因为抵抗重力而产生的，应当加强这两部分的设计。

3.2 内齿圈轮齿啮合力单独作用

在内齿圈轮齿的作用下，箱体的啮合力为径向力和切向力。从整体上来说，三个行星轮的对称性会使径向力消失，对箱体其他部位没有太大的影响。但是三对齿轮啮合力的叠加产生了切向力。这导致箱体发生了扭转变形，如图1所示。

图1

内齿圈啮合力的作用会使后箱体整个部位的拉应力不超过2MPa。拉应力主要集中在啮合齿轮部位。同时，和内齿圈相连的圆柱状箱体部位的拉应力达到了20MPa。切向力不仅会产生旋转变形效应，还会使前箱体的支承轴孔以及过渡区域产生了能够抵抗旋转变形的拉应力。

3.3 轴承载荷单独作用

箱体工作最主要的载荷为轴承载荷。对于使用侧边支承的箱体而言，轴承载荷的大小和方向对于箱体所承受的应力具有着非常重要的作用。齿轮的啮合桩体也会受到箱体轴承座变形量的影响。本文主要通过分析轴承座轴向中截面的变形量来对箱体的刚度进行设计。

3.4 全载荷作用

在全载荷的作用下，箱体的状态保持为弹性变形。因此，箱体可以利用不同载荷线性作用力的叠加来获取应力。箱体应力的分布和轴承载荷单独作用有着很多相似的特点，并且箱体应力也会受到内齿圈载荷引起的旋转效应的影响。前箱体右侧支承轴孔和箱体的过渡区下缘集中区域的应力达到了40MPa。该应力主要是由内齿圈轮齿啮合的旋转效应产生的。另外，输出轴凸缘附近区域的应力也十分的明显。该区域的应力是在轴承座处承担的支承箱体作用产生的。

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