風電增速齒輪箱關鍵部位齒輪的接觸疲勞分析

摘 要：本文詳細描述了風力發電機傳動系統和增速齒輪箱的機械結構，同時從理論上和數值上對增速齒輪箱關鍵部位齒輪的嚙合狀況進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計有所借鑒。

關鍵詞：風力發電機傳動系統、增速齒輪箱、疲勞分析、接觸分析

1. 風力發電機傳動系統和增速齒輪箱的機械結構

如圖1所示，風力發電機的機械傳動結構主要由轉子葉片、輪轂、低速軸和增速齒輪箱構成。其中，葉片和增速齒輪箱同為核心的機械部件。葉片將風能轉化為機械能，而增速齒輪箱則負責將該機械能傳遞到發電機，并使其得到相應的轉速。在風輪轉速低，遠達不到發電機發電要求的轉速時，可以通過齒輪箱內齒輪副的增速作用來實現。在具體結構上，增速齒輪箱可與低速軸（主軸）直接相連，或通過收縮套/連軸節與低速軸（主軸）相連。

目前大功率風力發電機的增速齒輪箱的主要結構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量多，行星架的加工難度大，機構復雜，所以在技術實現上有一定難度。而一級行星增速和兩級平行軸增速的齒輪箱，其結構相對簡化，制造裝配工藝性大為改善，同時有利于在輸入端加設輔助制動功能。故此類增速齒輪箱更為常見，這里對它的機械結構加以分析。

2. 增速齒輪箱關鍵齒輪的接觸分析和疲勞分析

2.1增速齒輪箱關鍵齒輪的接觸分析

通過使用經典接觸力學的解析法，對于一些規則幾何形狀的物體，比如漸開線圓柱齒輪進行分析，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。然而這種方法應用范圍十分有限，一般在工程上使用非經典接觸力學的解析法。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迭代計算的過程。隨著計算機技術的不斷進步，工程運算上的數值方法中的有限元方法也得到了廣泛地應用。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定，并通過相關的有限元軟件ANSYS Workbench來完成相關數值計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行切割，保留嚙合的輪齒部分，從而簡化實體模型和有限元模型，以及相應的有限元網格數量，提高運算速度。在ANSYS Workbench中的基本參數輸入和設定步驟包括：齒輪嚙合三維模型的導入并自動轉化為對應的有限元模型；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，控制剛性目標的運動；劃分網格。

2.2 增速齒輪箱關鍵齒輪的疲勞分析

由于齒輪的嚙合傳動過程中齒輪的轉向是固定的，輪齒從進入嚙合區完成嚙合后轉而進入非嚙合區，然后又進入嚙合區的重復過程中，輪齒受到的應力可以簡化為一個脈動循環的應力，遵循即由零位逐漸到峰值后再變回零位的規律，在ANSYS模擬時可以采用Zero-based模式的恒定振幅載荷圖，同時可以根據實際情況來設定振幅載荷。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），進行分析計算，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?？梢园l現，在齒根部分，由于接觸應力和力矩作用的影響，而產業表面應力集中和疲勞彎曲，并不斷受到此交變應力的作用，容易疲勞而產生局部斷裂失效。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年計算）為365x24x20x60x60=6.3e8秒，可得出齒輪的最小疲勞壽命大于計算工作壽命，表明該齒輪能夠在設計的工作年限內可靠連續工作。而由疲勞損傷云圖可以看出在疲勞強度分析中，高強度應力和變形對輪齒的損壞程度，齒根部分由于應力最大，疲勞損傷最大，是最容易產生疲勞失效和強度失效的區域。

3.結束語

本文結合風力發電機傳動系統和增速齒輪箱的傳動結構，并結合某增速齒輪箱的工況，對其關鍵部分齒輪進行了接觸分析和疲勞分析。在具體設計過程中，這種分析對于齒輪材料的選取，相關制造工藝參數的制訂，以及各齒輪構上的優化都有借鑒作用。

參考文獻：

[1]廖明夫，R.Gasch，J.Twele.風力發電技術[M]，西安：西北工業大學出版社，2009，48-59.

[2]唐進元，顏海燕.線外嚙合齒輪傳動嚙合剛度計算[J]，機械傳動，2002，（4）：22-24.

[3]黃晉英.發動機結構的有限元模型與動態特性分析[D]，太原：華北工學院，2000.

作者簡介：

易志、男、漢、四川省、遼寧工業大學大四學生、機械設計制造及其自動化專業，主要是制造方向