基于Adams的风电齿轮系统建模与仿真

2018-07-23夏天

科技与创新 2018年14期

夏天

（中国人民大学附属中学，北京 100030）

1 引言

风力发电机通常工作在高山、荒漠、沿海等环境恶劣的场所，常年经受变向变载荷的冲击。齿轮传动系统作为风力发电机的核心部件，具有较大的传动比，因此，输入端任何一个微小的变化在输出端都会被百倍放大。由此可见，齿轮传动系统的性能直接影响着风力发电机运行的稳定性和使用寿命，具有较高的研究价值[1-2]。近年来，国内外学者从不同方面对其进行了研究[3-6]，但这些研究内容涉及到风电齿轮传动系统的动力学建模和动态响应等多个方面。我们利用Pro/E和Adams软件建立了某MW风电齿轮系统实体模型，并对其进行了运动学和动力学仿真分析，为风电齿轮传动系统的设计和振动特性研究提供了参考依据。

2 基于Pro/E的风电齿轮系统实体建模

某MW级风电行星齿轮系统多采用渐开线直齿轮传动形式，其结构如图1所示。图1中，Tin为输入转矩，Tout为输出转矩，p为行星轮，c为行星架，s为太阳轮，r为内齿圈，各齿轮的参数如表1所示。

图1 MW级风电行星齿轮传动系统结构简图

利用三维建模软件Pro/E实现风电齿轮系统各零件的实体建模。图2（a）为单级行星齿轮传动机构，它是由行星架、行星轮、行星轴、太阳轮、轴承和弹簧垫圈组成。行星架采用双侧板分开式结构，双侧板通过3个连接板刚性连接到一起；行星轴与行星架采用刚性连接；太阳轮与行星架采用销钉连接。二级行星齿轮传动机构装配与之相同。风电齿轮传动系统装配模型如图2（b）所示。

表1 MW级风电行星齿轮传动系统几何参数

图2 风电齿轮系统结构图

3 运动学仿真分析

将Pro/E建好的模型导入Adams中，删除无质量的point和sheet，设置相关环境参数。由于Pro/E中模型的约束与联接在导入Adams后均失效，所以，要为导入的模型重新创建连接，包括固定副、旋转副和齿轮副。创建好连接与约束的模型如图3所示。

图3 行星齿轮传动添加连接与约束

创建完连接后给输入轴添加旋转驱动，转速为104.4 d/s（30 r/min）。最后，进行仿真并进入后处理，测量输入轴的转速、一级太阳轮转速、二级太阳轮转速、平行轴传动大齿轮转速和小齿轮转速，测量结果如图4所示。

图4 各齿轮转速曲线图

从图4中可以看出，输入轴的转速、一级太阳轮转速、二级太阳轮转速、平行轴传动大齿轮转速和小齿轮转速测量值以及各传动比均与理论计算值相同，验证了模型的正确性。

4 动力学仿真分析

对齿轮传动系统进行动力学仿真，以测量齿轮的受力状况，检测齿轮的强度，并对传动系统进行优化。

在动力学分析时，齿轮之间需通过接触力连接，删除齿轮副连接副，在各齿轮副之间添加接触力。输入轴添加驱动转速，输出轴添加驱动转矩，设置仿真时间为12 s，步长为600.图5为各齿轮的受力情况。

图5 行星齿轮传动受力图

图6 各级传动系统齿轮转速

图5为各齿轮的受力图，从图5中可以看出在啮合点齿轮副主要受径向力和切向力，且切向力大于径向力。由力的长度可以看出，啮合力一级行星齿轮大于二级行星齿轮大于平行轴齿轮。图6（a）为一级行星传动太阳轮转速，图6（b）为二级行星传动太阳轮与平行轴传动大齿轮转速，图6（c）为平行轴传动小齿轮转速。从图6中可以看出，一级太阳轮、二级太阳轮、平行轴传动大齿轮和小齿轮的转速在一定的范围内围绕均值波动，并且波动逐级增大，这是由齿轮周期性啮入、啮出冲击引起的振动造成的。

图7（a）为一级传动太阳轮轴向力曲线图，理论上太阳轮轴向力应为零，但由曲线可知，太阳轮轴向力围线零值线波动。这说明，在实际情况中，太阳轮轴向力并不为零。从图7（b）和图7（c）中可以看出，太阳轮切向力与轴向力呈周期变化，周期与输入轴转动周期相同，切向力与径向力的关系等同于正弦与余弦的关系，其向量和理论值为定值，即为啮合点受合力的模向量。