風(fēng)電增速齒輪箱關(guān)鍵部位齒輪的接觸疲勞分析

摘 要：本文詳細(xì)描述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)和增速齒輪箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時從理論上和數(shù)值上對增速齒輪箱關(guān)鍵部位齒輪的嚙合狀況進(jìn)行了接觸分析和疲勞分析。希望通過對該方法的探討對增速齒輪箱的齒輪設(shè)計(jì)有所借鑒。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)、增速齒輪箱、疲勞分析、接觸分析

1. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)和增速齒輪箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)子葉片、輪轂、低速軸和增速齒輪箱構(gòu)成。其中，葉片和增速齒輪箱同為核心的機(jī)械部件。葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而增速齒輪箱則負(fù)責(zé)將該機(jī)械能傳遞到發(fā)電機(jī)，并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電要求的轉(zhuǎn)速時，可以通過齒輪箱內(nèi)齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn)。在具體結(jié)構(gòu)上，增速齒輪箱可與低速軸（主軸）直接相連，或通過收縮套/連軸節(jié)與低速軸（主軸）相連。

目前大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的增速齒輪箱的主要結(jié)構(gòu)形式有兩級行星增速、一級行星增速和兩級平行軸增速兩種形式。其中，兩級行星增速的齒輪箱由于行星齒輪數(shù)量多，行星架的加工難度大，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，所以在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有一定難度。而一級行星增速和兩級平行軸增速的齒輪箱，其結(jié)構(gòu)相對簡化，制造裝配工藝性大為改善，同時有利于在輸入端加設(shè)輔助制動功能。故此類增速齒輪箱更為常見，這里對它的機(jī)械結(jié)構(gòu)加以分析。

2. 增速齒輪箱關(guān)鍵齒輪的接觸分析和疲勞分析

2.1增速齒輪箱關(guān)鍵齒輪的接觸分析

通過使用經(jīng)典接觸力學(xué)的解析法，對于一些規(guī)則幾何形狀的物體，比如漸開線圓柱齒輪進(jìn)行分析，使用一對線接觸的平行圓柱體代替某一嚙合位置的實(shí)際嚙合齒面，即將兩個齒輪的接觸問題簡化為兩個圓柱體的接觸問題。然而這種方法應(yīng)用范圍十分有限，一般在工程上使用非經(jīng)典接觸力學(xué)的解析法。在具體分析過程中，齒輪嚙合的非線性接觸問題存在接觸面積變化的非線性，接觸壓力分布變化的非線性，摩擦作用的非線性。一般來說，該類接觸問題的求解是一個反復(fù)迭代計(jì)算的過程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工程運(yùn)算上的數(shù)值方法中的有限元方法也得到了廣泛地應(yīng)用。這里通過對齒輪嚙合面的邊界條件、幾何形狀、載荷方式等工況的設(shè)定，并通過相關(guān)的有限元軟件ANSYS Workbench來完成相關(guān)數(shù)值計(jì)算來解決齒輪嚙合接觸問題。這里為了提高分析的效率，把失效齒輪作為主要研究對象，即三號斜齒輪，同時與之嚙合的二號齒輪進(jìn)行切割，保留嚙合的輪齒部分，從而簡化實(shí)體模型和有限元模型，以及相應(yīng)的有限元網(wǎng)格數(shù)量，提高運(yùn)算速度。在ANSYS Workbench中的基本參數(shù)輸入和設(shè)定步驟包括：齒輪嚙合三維模型的導(dǎo)入并自動轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的有限元模型；齒輪材料屬性的定義（其中彈性模量為2.0e5Mpa，泊松比為0.3，材料密度為7.85e-6Kg/mm3）；齒輪嚙合面（三號斜齒輪嚙合部分輪齒弧面為目標(biāo)面，二號斜齒輪嚙合部分輪齒弧面為接觸面）的定義，控制剛性目標(biāo)的運(yùn)動；劃分網(wǎng)格。

2.2 增速齒輪箱關(guān)鍵齒輪的疲勞分析

由于齒輪的嚙合傳動過程中齒輪的轉(zhuǎn)向是固定的，輪齒從進(jìn)入嚙合區(qū)完成嚙合后轉(zhuǎn)而進(jìn)入非嚙合區(qū)，然后又進(jìn)入嚙合區(qū)的重復(fù)過程中，輪齒受到的應(yīng)力可以簡化為一個脈動循環(huán)的應(yīng)力，遵循即由零位逐漸到峰值后再變回零位的規(guī)律，在ANSYS模擬時可以采用Zero-based模式的恒定振幅載荷圖，同時可以根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)定振幅載荷。在完成齒輪材料屬性的定義后（其中彈性模量為2.0e5Mpa，泊松比為0.3，材料密度為7.85e-6Kg/mm3），進(jìn)行分析計(jì)算，得到三號斜齒輪的疲勞壽命云圖和疲勞損傷云圖，如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)，在齒根部分，由于接觸應(yīng)力和力矩作用的影響，而產(chǎn)業(yè)表面應(yīng)力集中和疲勞彎曲，并不斷受到此交變應(yīng)力的作用，容易疲勞而產(chǎn)生局部斷裂失效。由ANSYS分析的三號斜齒輪疲勞壽命云圖可知，該齒輪齒根部分的最小疲勞壽命為8.12e8秒，而齒輪其他部分的壽命為8.64e10秒。而正常工作壽命（以20年計(jì)算）為365x24x20x60x60=6.3e8秒，可得出齒輪的最小疲勞壽命大于計(jì)算工作壽命，表明該齒輪能夠在設(shè)計(jì)的工作年限內(nèi)可靠連續(xù)工作。而由疲勞損傷云圖可以看出在疲勞強(qiáng)度分析中，高強(qiáng)度應(yīng)力和變形對輪齒的損壞程度，齒根部分由于應(yīng)力最大，疲勞損傷最大，是最容易產(chǎn)生疲勞失效和強(qiáng)度失效的區(qū)域。

3.結(jié)束語

本文結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)和增速齒輪箱的傳動結(jié)構(gòu)，并結(jié)合某增速齒輪箱的工況，對其關(guān)鍵部分齒輪進(jìn)行了接觸分析和疲勞分析。在具體設(shè)計(jì)過程中，這種分析對于齒輪材料的選取，相關(guān)制造工藝參數(shù)的制訂，以及各齒輪構(gòu)上的優(yōu)化都有借鑒作用。

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作者簡介：

易志、男、漢、四川省、遼寧工業(yè)大學(xué)大四學(xué)生、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)，主要是制造方向