基于ANSYS的試驗臺低速聯(lián)接軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李洪添

（廣東明陽風電產(chǎn)業(yè)集團有限公司，廣東 中山 528400）

0 引言

風電齒輪箱是位于風機輪轂和發(fā)電機之間用于傳遞機械能的關(guān)鍵傳動部件，它的主要作用是將輪轂利用風能產(chǎn)生的機械動能傳遞給發(fā)電機產(chǎn)生電能。隨著風電機組單機容量的增大，風電齒輪箱的額定功率以及低速端輸入轉(zhuǎn)矩也急劇增大，因此，風電齒輪箱是低速、重載、增速的齒輪傳遞系統(tǒng)。與一般的工業(yè)齒輪箱相比，其受無規(guī)律風力或強陣風作用，在沖擊變載荷條件下工作，承受的動態(tài)載荷往往很高，因此，風力發(fā)電機組中對齒輪箱的可靠性和壽命要求十分嚴格。

出于對風電齒輪箱質(zhì)量的嚴格要求，按照國家標準GB／T19073－2003中試驗方法和檢驗規(guī)則的運行試驗要求，需要對風電齒輪箱進行空載試驗、功率損耗測定、齒面接觸疲勞壽命試驗。為了保證齒輪箱試驗數(shù)據(jù)的準確性，就必須嚴格控制齒輪箱試驗臺各部件的加工精度、結(jié)構(gòu)強度及裝配精度。本文從工程實踐出發(fā)，分析了齒輪箱試驗臺中最容易失效的部件——低速連接軸的靜態(tài)特性，并針對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為其工程應(yīng)用提供可靠的參考依據(jù)。

1 風力發(fā)電機組齒輪箱試驗臺的結(jié)構(gòu)

圖1為某兆瓦級風力發(fā)電機組的齒輪箱試驗臺。兆瓦級風力發(fā)電機的齒輪箱試驗臺一般由被試風電齒輪箱、陪試風電齒輪箱、扭轉(zhuǎn)傳感器、驅(qū)動電機、加載電機、低速連接軸等部件組成。圖2為低速連接軸的結(jié)構(gòu)圖，其受到由兩對液壓缸分別產(chǎn)生的扭矩Mx＝2 580kNm 與彎矩Mz＝4 200kNm 的作用。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及三維建模

針對現(xiàn)有齒輪箱試驗臺低速連接軸在工作一段時間后發(fā)生局部開裂的情況，本文將對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的低速連接軸的結(jié)構(gòu)強度進行有限元分析。在工程實際中，現(xiàn)有低速連接軸的開裂部位一般集中在三處，分別是環(huán)鍛法蘭焊縫處、大鋼筒件開口處以及大鋼筒件與中間腹板的連接處。針對這三處開裂，分別做如下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：大鋼筒件開口處增焊厚度為30mm 的圓筒、增焊環(huán)形法蘭以及減小腹板寬度。優(yōu)化后低速連接軸結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了驗證優(yōu)化后的低速連接軸能滿足工程實際的強度要求，需對其進行有限元分析。首先利用SolidWorks2012建立優(yōu)化后的低速連接軸的三維模型，在SolidWorks2012中通過與ANSYS Workbench14.0 軟件的接口將三維模型導入ANSYS Workbench14.0中。

圖1 某兆瓦級風力發(fā)電機齒輪箱試驗臺

連接軸的有限元模型如圖4所示，低速連接軸的材料選用Q345鋼，泊松比μ＝0.28，彈性模量E＝205 GPa，密度ρ＝7 850kg／m3。齒輪箱使用一個Φ2 250×750的圓柱實體示意，材料選用30CrNiMo8，泊松比μ＝0.3，彈性模量E＝206GPa，密度ρ＝7 860kg／m3。整個模型的節(jié)點數(shù)為127 239個，單元數(shù)為49 753個。低速連接軸采用四面體劃分網(wǎng)格法——Patch Conforming法，生成Solid187四面體單元；齒輪箱（示意）采用自動劃分網(wǎng)格法——Automatic法，通過掃掠的方式生成Solid186六面體單元；低速連接軸與齒輪箱（示意）的接觸面定義為Bonded（綁定接觸）。

圖2 低速連接軸結(jié)構(gòu)圖

圖3 優(yōu)化后的低速連接軸結(jié)構(gòu)圖

圖4 連接軸的有限元模型

3 有限元分析

圖5 邊界條件

圖6 等效應(yīng)力

4 各工況的模型應(yīng)力分析

在上述的分析中，為了便于施加載荷，建立了一個局部坐標系，原點在模型的中心，y 軸沿低速連接軸中的一根腹板，z軸沿軸向。在實際工作中，隨著低速連接軸的轉(zhuǎn)動，液壓缸對其施加的彎矩的方向也會不斷發(fā)生變化，為了更全面地校核模型的強度，現(xiàn)對各角度施加彎矩時的應(yīng)力情況及變形情況做出對比，主要分析彎矩與腹板呈10°、20°、30°、40°、50°、60°時的情況，分析得到的應(yīng)力與變形量見表1。通過上述計算，比較各工況的最大應(yīng)力，根據(jù)安全裕度因子公式算得各工況的安全因子均大于1，所以模型基本安全可靠，驗證了模型優(yōu)化后的正確性。

5 結(jié)束語

本文針對風電齒輪箱試驗臺的關(guān)鍵零部件——低速連接軸在實際試驗中發(fā)生多處開裂的實際情況，首先對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，同時通過ANSYS Workbench對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行各個工況下的應(yīng)力分析，驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的可靠性。

表1 各角度施加彎矩時應(yīng)力分布及變形量的對比

［1］ 成大先.機械設(shè)計手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社.2007.

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