風力發電機組偏航變槳齒輪箱體輕量化設計

李效龍，郝 莉

（1.南京高精齒輪集團有限公司，江蘇 南京 210000；2.中科南京移動通信與計算創新研究院，江蘇 南京 210000）

1 前言

偏航變槳齒輪箱是風力發電機組的關鍵部件，主要由電機、輸入部裝、多級行星部裝和輸出部裝組成，其中箱體是齒輪箱的核心部件，起到支撐和連接作用，受載較多。然而目前偏航變槳齒輪箱箱體的設計強度和剛度整體富裕，結構笨重，成本較高。自從2020 年風火同價政策的提出，整個風電行業全面進入了降價潮，并逐步向平價時代推進，偏航變槳齒輪箱箱體的結構嚴重不符合行業發展要求，急需結構優化設計。

國外對齒輪箱進行結構優化的研究開始較早。早在1854 年，Maxwell 就提出并定義了優化設計方法，并將此優化方法應用到實際的結構設計中。1964 年，Dorn W S，Gomory R E 等人又提出用數值方法解決結構優化算法的計算問題，具有劃時代的意義。2000 年，李樹吉等針對風電齒輪箱建立優化數學模型，使用SUMT 內點法為優化算法，將質量最小設置為優化目標，將結構強度設置為約束條件，進行優化，并編寫了數學計算程序。2008 年，孫黎等人使用軟件ANSYS 中的Workbench 模塊對風力發電齒輪箱進行有限元分析和結構優化。同年，李杰、王樂勤等人基于風電齒輪箱箱體的真實工況，建立有限元真實邊界模型，并進行分析。自此，國內對齒輪箱箱體的結構優化設計也進入了深入研究的階段，特別是拓撲優化的結構優化方案，吸引了眾多研發人員的廣泛研究興趣。

2 箱體靜強度分析計算

箱體作為偏航變槳齒輪箱中的大型復雜零件，其強度和剛度如何對箱體內齒輪傳動系統的正常運行起著重要作用；另外，作為齒輪箱的重要組成部分，箱體的重量占整個齒輪箱總重的百分比較大，對齒輪箱成本有較大影響；同時，在齒輪箱運行過程中，作為主要的承力部件，其承載能力對整個齒輪箱的正常穩定工作也有著重要的影響。

2.1 有限元分析模型

基于分析計算結果接近真實工況和分析計算效率考慮，將軸承的外圈與箱體裝配起來進行分析。箱體材料選用EN-GJS400-18-AL，其他構件材料選用鍛鋼，綜合材料參數如表1 所示。

表1 材料參數

基于偏航變槳齒輪箱箱體的結構特性，對裝配模型進行網格劃分，并綁定設置，其接觸模型如圖1 所示。

圖1 箱體與軸承接觸模型

在箱體法蘭處設置固定約束，在兩個軸承處設置軸向力和徑向力，并在箱體與齒圈連接的面處設置極限扭矩，具體載荷如表2 所示。

表2 載荷參數

2.2 有限元分析結果

對有限元分析模型進行強度計算，計算結果如圖2 和圖3 所示。根據IEC61400 規范要求及計算結果可知，箱體最大等效應力為234.3MPa，略大于218MPa 的許用應力，絕大部分等效應力均小于許用應力；最大變形是0.277mm，符合設計要求，可以對箱體進行減重優化。

圖2 靜載荷分析等效應力云圖

圖3 靜載荷分析變形云圖

3 箱體拓撲優化分析

拓撲優化是結構優化的一個重要分支，即在保證產品性能合格的前提下，在特定的區域內尋求材料的最優分布，結構最優，重量最輕。結構優化有三要素，即設計變量、約束函數和目標函數。優化過程即使得設計變量在約束函數的約束下，達到目標函數的最佳值。

3.1 拓撲優化模型及優化區域設置

本文以箱體的柔度最小為目標，以材料密度為設計變量，箱體的質量分數為約束條件建立拓撲優化數學模型。對箱體的設計區域進行選擇，考慮到箱體連接面、螺栓孔、銷孔以及軸承安裝面有安裝要求，將這些區域設置為不可優化區，其他區域設置為優化區，具體設置如下圖4所示。

圖4 優化區域設置

3.2 拓撲優化結果

經過workbench 計算，筋板、靠近法蘭連接等區域的材料較富裕，該區域的材料可以去除；其他區域對箱體剛度所起作用較大，不宜去除。

4 優化模型重構及驗證

4.1 優化模型重構

根據箱體靜強度計算及拓撲優化分析的結果，在三維軟件中對箱體模型進行優化設計，去除加強筋上部材料、安裝法蘭面軸承位上部局部材料和油封擋邊局部材料，并局部優化原模型的最大應力集中點處結構。優化后的模型如圖5 所示。

圖5 優化后箱體模型

4.2 分析驗證

對優化后的箱體模型進行強度計算，箱體最大等效應力為232.8MPa，位于小軸承的軸承座端面處，略高于許用應力，箱體出現輕微的屈服。最大變形是0.248mm，等效總應變的最大值為0.117%，符合IEC61400 的規范要求。

對比優化前后模型相關參數，如表3 所示。可知，優化后箱體的強度和剛度均略微減小，但箱體重量減輕了8.1kg，相對減少了8%，輕量化設計效果顯著。

表3 優化前后模型相關參數

5 總結

基于風力發電機偏航變槳齒輪箱箱體結構形式及實際的載荷工況，采用有限元強度計算分析技術及拓撲優化結構分析技術，在保證齒輪箱性能滿足設計要求的前提下，對齒輪箱箱體進行了輕量化設計，使其結構、質量和綜合性能均得到較佳優化。本課題對提高齒輪箱箱體的設計水平和設計能力，具有較好的應用價值，并可推廣至整個風電行業，可有效地助力于風電行業的高質量發展，實現“綠色、可靠、增值”的產品理念。