基于ANSYS Workbench的風力發電機增速器仿真

劉 哲，曹鵬飛

（中船重工集團第七一二研究所，湖北 武漢 430063）

在傳統能源枯竭的今天，尋找新型清潔能源已經成了各國能源工業的主要發展方向。風能以其清潔無污染、儲備量大的優點，受到廣泛青睞。我國是能源消耗大國，風電事業得到了蓬勃發展，但風電相關設備尤其是增速器基本依賴進口，長此以往，必將制約我國風電事業長期健康的可持續發展。因此，開展風力發電機的國產化研制工作，具有十分重要的意義。

1 傳動方案的確定

風力發電機增速器具有高功率、大轉矩的特點，為實現功率分流，本文采用了行星輪系與平行軸輪系相結合的混合式增速器。傳動原理如圖1，內部結構形式如圖2所示。

圖1 增速器傳動原理圖

圖2 增速器內部具體結構形式

風力發電機增速器由兩級行星輪系和一級平行軸輪系組成，以第一級行星架為輸入端，以第三級齒輪軸為輸出端，各級齒輪參數如表1～表3所列。

表1 第一級齒輪參數

表2 第二級齒輪參數

表3 第三級齒輪參數

2 關鍵部件有限元分析

本文采用了ANSYS 對增速器中的危險零件進行了力學有限元分析。

2.1 接觸理論

為了實現平穩發電，風力發電機增速器均安裝有控制器，使輸入轉速保持穩定。因此可將各齒輪的嚙合過程簡化為一個準靜態的接觸過程，受力時產生彈性變形。

將齒輪嚙合過程可以分為3種邊界狀態，即連續狀態、滑動狀態、分離狀態。

在世界坐標系下建立有限元基本方程可得式（1）：

式中，

KI、KC為輸入齒輪、輸出齒輪的剛度矩陣；

UI、UC為輸入齒輪、輸出齒輪的嚙合節點位移向量；

PI、PC為作用在輸入齒輪、輸出齒輪的外載荷向量；

RI、RC為接觸力向量。

用α 和β 分別表示輪齒局部坐標系（n，t）下的第i個接觸點j方向上的接觸力和位移分量，a、b表示輸入齒輪、輸出齒輪，則

（1）連續狀態。

（2）滑動狀態。

（3）分離狀態。

2.2 風力發電機增速器危險齒輪接觸分析

輪齒折斷是風力發電機增速器的主要失效形式，因此進行接觸分析是很有必要的。以某級行星輪系中中心輪與行星輪接觸分析為例，步驟如下：

（1）建模。由于ANSYS 中建模過程十分復雜，所以利用其他三維建模軟件建立齒輪接觸模型，再將接觸模型導入ANSYS Workbench 中。

（2）定義接觸對。ANSYS Workbench 雖然能夠對接觸對進行智能定義，但是通常嚙合區內的所有曲面都將被定義為接觸對，顯然這個定義是不正確的。由齒輪的嚙合過程可知，應將從動輪的相應齒面定為目標面，將主動輪的相應齒面定為接觸面。

（3）定義材料屬性?？紤]風力發電機增速器實際工況，齒輪材料采用20CrMnTi，查閱相關材料手冊可得，彈性模量為2.06 e5 MPa，泊松比為0.29，材料密度為7.85 e-6 kg/mm3。

（4）定義目標體和運動體。在接觸分析中，首先要定義剛性目標面和運動面。約束和載荷施加在運動面上的POLOT 節點。我們將從動輪定為目標體，主動輪設為運動體。

（5）劃分網格。ANSYS Workbench 中能夠采用智能化網格劃分，避免了復雜的操作。但是過于細致的網格，顯然是會影響計算效率的。因此，我們只需對可能發生接觸的區域內的曲面進行細分，其他區域則采用較為稀疏的劃分，在保證計算精度的同時，提高效率。劃分結果如圖3、圖4。

圖3 網格劃分整體視圖

圖4 接觸面網格劃分視圖

（6）定義約束與載荷。根據齒輪嚙合過程，對主動輪—行星輪施加轉矩，對從動輪—中心輪施加圓周固定約束，釋放切向自由度，并添加反向載荷（如圖5所示）。

圖5 邊界條件效果圖

（7）求解并查看結果。結果仿真計算，結果如圖6、圖7所示。

圖6 等效應力圖

圖7 應力集中點

由圖可知，最大應力發生在即將離開接觸的中心輪的齒根處，這與我們在工廠調研中，故障增速器的齒輪失效情況十分吻合。

3 關鍵齒輪軸模態分析

外加載荷與自身固有頻率相同發生共振現象，也是風力發電機增速器失效的主要故障之一。故需要通過對關鍵齒輪軸進行模態分析加以避免。

以最后一級平行軸斜齒輪為例說明分析過程。首先，設定材料屬性并劃分網格。網格類型采用空間六面體占優型進行劃分，如圖8所示。

圖8 網格劃分

然后根據齒輪軸具體工況定義約束條件。即齒輪軸兩端為切向自由的圓柱支撐約束。經求解計算得圖4所示的前十階頻率，如表4所列。

表4 斜齒輪軸前10 階頻率與總變形量

從表4可知，3 階模態時產生最大變形量，但齒輪自由振動的各階頻率遠遠高于其固有頻率，故此時齒輪軸不會發生共振，從而對增速器整體造成破壞。

4 結束語

本文設計了一種風力發電機增速器的齒輪傳動機構，并通過對關鍵零部件進行有限元力學分析分析和模態分析，驗證了設計方案的合理性。為下一步進行齒輪齒面修形以及增速器部件熱處理工藝設計，打下了良好的基礎。

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