（动力机械及工程专业论文）多工况风电偏航减速机轮齿接触机理研究.pdf

d o n gj i a n g d o n g b e ( c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g p o w e rm a c h a n i c sa n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rej i a q i a n g a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h uh a o m a y ，2 0 1l r i v er e d u c e ri n 舢82肿26 09- y 大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 秒写 同期：扣，7 年细巧同 学t # - i 仑文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： n j t , 1 ：2 0 1 1 年尹月衫同 r j t , 1 ：m1 年，月“同 位论文 面 ：乏 风能作为十二五规划新能源的重要组成部分，未来五年发展潜力巨大，据有关研 究表明，未来五年，我国的风电装机容量将突破1 亿k w 。与此同时，伴随着风力发 电机组的兆瓦级开发，现代风力发电减速机所承受的外部载荷更加复杂与重大。而传 统的偏航驱动减速机往往基于静强度设计方法，采用加大许用安全系数的方法来提高 其可靠性，而未采用接触分析理论详细分析传动系统的载荷变化情况及轮齿受力情 况，故往往不能在提高偏航驱动减速机的可靠性和安全性的同时，又达到偏航驱动减 速机结构轻量化的目的。 为此，本文以国家“十一五科技支撑计划重点项目为依托，采用有限元数值仿 真方法对多工况下偏航驱动减速机中的传动部分进行轮齿接触静力学分析及齿轮接 触动力学分析，对偏航驱动减速机的轻量化设计具有较大的参考价值。论文的主要工 作与创新之处如下： ( 1 ) 对总体偏航减速机进行了虚拟装配和仿真分析，结果验证了整个偏航减速机的模 拟运行状况良好，为运用a n s y s 软件进行接触分析做了良好的保证； ( 2 ) 基于齿轮静态接触机理，对不同锁紧力矩下偏航减速机轮齿受力情况进行了模 拟分析，结果表明，静态峰值输出扭矩工况下，轮齿易发生齿根应力集中，与齿顶干 涉现象，可通过齿廓修形等措施提高轮齿的可靠性； ( 3 ) 通过对偏航驱动减速机的模拟计算、分析了严寒条件及湿热条件下偏航驱动减 速机轮齿的接触强度，结果表明，恶劣的气候环境易引起齿轮啮合摩擦系数的增大， 且轮齿表面易出现裂纹，最严重时将导致齿轮疲劳失效，可通过热处理、表面处理等 措施提高齿轮性能的可靠性； ( 4 ) 对风电偏航减速机进行动态接触分析，得到了齿轮啮合过程中接触应力分布和 等效应力分布情况，结果显示：齿轮接触过程中，在刚开始啮入时其冲击是最大的， 随着齿轮运动速度的逐渐稳定，其冲击力逐渐平稳。 关键词：偏航驱动减速机：行星齿轮；有限元；强度；接触分析； _-_-_-_-_-_-_i，】1 a st h ei m p o r t a n tp a r to ft h ec o u n t r y ”12 t hf i v e y e a rp l a n ”o fn e we n e r g y ，t h e d e v e l o p m e n to fw i n de n e r g yi s o fg r e a th o p ei nt h ec o m i n gf i v ey e a r f o l l o w i n gt h e d e v e l o p m e n to fw i n de n e r g yi n d u s t r y i nt h en e x tf i v ey e a r s ，c h i n a sw i n dp o w e r i n s t a l l a t i o nc a p a c i t yi se x p e c t e dt or e a c h10 0m i l l i o nk i l o w a t t sa c c o r d i n gt ot h er e l a t e d r e s e a r c h w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e g a w a t tw i n dt u r b i n e s ，t h el o a d se x p o s e do nm o d e m w i n dp o w e rr e d u c e rw i l lb em o r ec o m p l e xa n ds i g n i f i c a n ta tt h es a m et i m e h o w e v e r ，t h e t r a d i t i o n a ld e s i g no fy a wd r i v er e d u c e ri su s u a l l yb a s e do ns t a t i cs t r e n g t hm e t h o d i t i m p r o v e st h er e l i a b i l i t yb ye n h a n c i n gt h ea d m i s s i b l es a f e t yf a c t o r b u ti th a s n e v e ra d o p t e d t h ec o n t a c ta n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y s et h em u t a t i v el o a d so ft h et r a n s m i s s i o na n dt h e c o n d i t i o no ff o r c eo ng e a r i t so fg r e a td i f f i c u l t yt oi m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo f t h ew i n dp o w e ry a wd r i v er e d u c e rw h i l el i g h t w e i g h t i n gt h ew i n dp o w e ry a wd r i v er e d u c e r t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ri sw r i t t e nb a s e do nk e yp r o j e c t so fc o u n t r y ”1lt hf i v e y e a rp l a n ” t os u p p o r ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a n t h em e t h o du s e di nt h i sp a p e ri st h ef i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s t a t i c sa n dd y n a m i c sc o n t a c ta n a l y s i so ft h eg e a ri sa d o p t e d i nt h et r a n s m i s s i o np a r to ft h ew i n dp o w e ry a wd r i v er e d u c e rw h i c hw o r k si nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s i tw i l lb eo fg r e a th e l pt ot h el i g h t w e i g h t i n gd e s i g no ft h ey a wd r i v ep a r t t h e m a i nw o r k sa n di n n o v a t i o n si nt h i sp a p e ra r es t a t e da st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h e v i r t u a l a s s e m b l i n ga n ds i m u l a t i o na n a l y s i s a r e a d o p t e d t ot h et h et o t a l a s s e m b l em o d e lo fw i n dp o w e ry a wr e d u c e r i ts h o w st h a tt h es i m u l a t i o np r o v e sd e s i r a b l e a l s oi tp r o v i d e sa ne x c e l l e n ta s s u r a n c eo fa na p p l i c a t i o no ft h ef i n i t es o f t w a r ea n s y s t o a n a l y z et h ec o n t a c ta n df a t i g u ec o n d i t i o n ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tt o r q u e sf o rl o c kt h et h ew i n dp o w e ry a wd r i v er e d u c e r ， t h es t r e s so ft h eg e a ri sa n a l y s e di nt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tb a s e dt h es t a t i cc o n t a c t m e c h a n i s mo fg e a r i ts h o w st h a tt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no fd e d e n d u ma n dt h ei n t e r f e r e n c e o fa d d e n d u mw i llh a p p e ni ns t a t i cp e a ko u t p u tt o r q u e sc o n d i t i o n s t h er e l i e n c eo ft h eg e a r s t r e n g t hc a nb ea s s u r e db ym a n ym e a s s u r e s ，s u c ha st o o t hp r o f i l er e p a i rf o r m ( 3 ) b ya n a l y s i sc a l c u l a t eo ft h eg e a ro fw i n dp o w e ry a wr e d u c e r ，t h ea u t h o rt a k e c o n t a c ta n a l y s i st ot h eg e a ro fw i n dp o w e ry a wr e d u c e re x p o s e du n d e rt h ec o l dc o n d i t i o n a n dh o t s h o w e dc o n d i t i o n t h er e s e a r c hs h o w st h a ti te a s i l yg i v e sr i s et ot h ee n l a r g e m e n to f t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fg e a ri nb a de n v i r o n m e n t i te a s i l yl e a d st ot h et o o t hs u r f a c ec r a c k e v e ng e a rf a t i g u ef a i l u r e t h er e l i e n c eo ft h eg e a rs t r e n g t hc a nb ea s s u r e db ym a n y m e a s s u r e s ，s u c ha sh e a tt r e a t m e n ta n dt o o t hs u r f a c et r e a t m e n t g e a re n g a g e m e n t a c c o r d i n gt ot h e s er e s u l t s ，i ts h o w st h a tt h ei m p u l s ef o r c ei sm a x i m a l w h e nt h eg e a r s b e g i nt om e s h ，a n dt h ei m p u l s ef o r c eb e c o m e ss m o o t ha st h ev e l o c i t yo ft h e g e a rw h e e l sg r a d u a l l ys t a b i l i z e s k e yw o r d s ：t h ey a wd r i v er e d u c e r ；p l a n e t a r yg e a r ；f i n i t ee l e m e n t ；s t r e n g t h ：c o n t a c t a n a l y s i s ： 接触机理研究 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论。l 1 1 国内外风力发电发展状况与趋势1 1 2 新型风电偏航驱动减速机概述2 1 3 国内外轮齿接触分析研究现状4 1 4 课题的研究意义一5 1 5 课题来源及论文研究内容一5 第2 章轮齿接触理论及有限元方法7 2 1 赫兹接触理论。7 2 1 1 轴线平行的两圆柱体的接触应力7 2 1 2 齿轮接触应力9 2 2 接触分析有限元分析方法l0 2 2 1 有限元分析方法1 0 2 2 2 接触有限元分析方法1 0 2 2 3 齿轮接触有限元分析方法1 2 2 3a n s y s 有限元软件的接触分析1 3 2 3 1a n s y s 有限元软件介绍1 3 2 3 2a n s y s 软件的接触分析模块1 4 2 3 3a n s y s 软件的接触分析算法_ 一1 4 2 4 本章小结15 第3 章偏航驱动减速机行星齿轮静态接触分析1 6 3 1 新型偏航驱动减速机行星传动部分几何模型的建立一1 7 3 1 1 新型偏航驱动减速机的整机建模。1 7 3 1 2 一级行星齿轮传动部分建模与装备1 8 3 2 偏航驱动减速机行星传动部分有限元分析模型的建立一2 0 3 2 1 齿轮几何模型的导入与修改2 0 3 2 2 定义单元类型与材料属性一2 2 3 3 行星齿轮和太阳轮啮合时的网格划分2 3 3 2 1 网格划分的原则与方法2 3 3 2 2 映射网格划分方法2 3 i v ：1 6 2 7 ：；0 ：；1 3 5 1 定义边界条件施加载荷条件3 1 3 5 2 求解3 3 3 6 多工况下结果对比分析3 4 3 7 本章小结3 7 第4 章不同气候对风电偏航减速机轮齿接触分析的影响3 8 4 1 齿轮啮合摩擦力产生机理3 8 4 2 考虑摩擦力的齿轮接触应力计算：4 0 4 3 考虑摩擦力的齿轮接触应力分析结果4 2 4 4 本章小结4 5 第5 章偏航驱动减速机行星齿轮动态接触分析4 6 5 1 接触一碰撞数值计算方法4 6 5 1 1 接触一碰撞数值计算方法简介4 6 5 1 2 接触一碰撞数值计算方法的有限元实现4 7 5 2 动态接触分析4 9 5 2 1 动态接触分析前处理4 9 5 2 2 关键字介绍。5 0 5 3 动态接触后处理及结果分析5 l 5 3 1 动态接触后处理结果5 l 5 3 2 应力分析一5 4 5 4 本章小结5 8 第6 章结论与展望6 0 6 1 结 仑6 0 6 2 展望6 1 参考文献6 2 附录攻读硕士学位期间发表的学术论文目录6 6 致 射一一6 7 v 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外风力发电发展状况与趋势 人类社会的发展伴随着科学技术的创新，人类历史上发生过三次技术革命，每次 技术革命都扮演着社会生产力的推动者的角色。第三次工业革命的到来，使人们对能 源的认识有了质的飞跃。随着工业的飞速发展以及电力系统的形成，使人们对化石类 燃料的需求达到了空前的境地，随之而来就是对地球环境的巨大的破坏，因此能源、 环境问题成为当今人类生存和发展所需要解决的紧迫问题，以新能源产业技术为代表 的第四次技术革命必将出现。 2 0 0 9 年1 2 月在丹麦举行的哥本哈根世界气候大会上，环境气候问题又被提出，节 能减排成为全球人关注的话题。能源的发展按照可持续发展战略原则，在开发利用常规 能源的同时，应更加注重开发利用对生态有利的新型能源，如风能、太阳能、潮汐能、 水能等【l 】。风能是可再生新能源，与传统能源相比，它具有诸多优点：风力发电利用 风能的可再生性质，取之不竭；几乎零排放，环境成本低；发电成本稳定等具有较好 的经济效益和社会效益，受到各国政府重视。 可利用的风能在全球范围内分布都很广泛。正是因为有这些独特的优势，风力发 电逐渐成为许多国家可持续发展战略中能源建设的重要组成部分，发展迅速。在过去 的5 年间，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快能源 的地位。2 0 0 5 年以来，全球j x l 电累计装机容量年平均增长率为2 7 3 ，新增装机容量 年平均增长率为3 6 1 。目前，风电的年发电量约3 4 0 0 亿k w h ，风力发电量已经占 到世界总发电量的2 以上1 2 1 。迄今为止，世界上已有8 2 个国家在积极开发和应用风 能资源。风电在未来2 0 年内将是世界上发展最快的能源。近年来，全球风电形式有 以下几个特点：欧洲仍然主导世界风电市场；中国和美国成为推动全球风电产业发展 的主要动力；风电技术发展迅速，成本持续下降；风电场从陆地转向近海发展已经成 为新趋势。 我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富。据专家预测1 3 j ，我国j x l 能储量大，分 布面广，全国大约有2 3 的地区为多风地带。全年平均风速3 m s 及以上的时间达 3 0 0 0 5 0 0 0 h 。平均风能密度为1 0 0 w m 2 。由此可见，我国丰富的风能资源为我国风 电事业的发展提供不断的动力源泉，在风电场从陆地转向近海发展已经成为新趋势 下，我困辽阔的海岸线蕴藏_ 丰富的j x l 电资源也将被丌发利用，将成为我凼后续的能源 基地。 在我国( ( n - t 再生能源法等政策的支持下，目前我国各地发展风电的积极性空前 高涨。2 0 0 9 年，我国风电场装机容量增长速度更加迅猛，新增机组1 0 1 2 9 台，新增 多1 = 况风电偏航减速机轮失接触机理研究 装机容量1 3 8 0 3 2 万k w ，与2 0 0 8 年新增装机容量6 2 4 6 万k w ，增长率为1 2 4 。平 均单机容量为1 3 6 m w ，最大单机容量为3m w 。2 0 0 9 年底，风力资源丰富的内蒙古 自治区在我国实现累计风电装机容量突破9 0 0 万千瓦，建成了辉腾锡勒、辉腾梁、巴 音郭勒和赤峰等多处大型风力发电场，成为我国风电装机容量最大的省份，我国风电 装机容量变化情况如图1 1 所示。 一豫j 搦致祝( m v v ) 一两吃增 乏 秀岛秀秀秀秀吃宅冬宅宅秀 图1 1 我国风电装机容量变化图 我国风电产业经过多年进步后，已经经历了连续快速发展的阶段。我国的风电产 业和风电电市场发展十分迅速，目前，美国、德国、英国等许多国家十分重视风电发 展，制定了发电的规划，计划到2 0 2 0 年风电占电力比重达到1 0 。中国在未来的风 电发展亦将保持在1 0 增速以上，力争在2 0 1 4 年之前，中国超过美国成为世界第一 风电产业大国，到本世纪中叶，包括风电在内的可再生能源在能源结构中占5 0 。 1 2 新型风电偏航驱动减速机概述 提高风能利用效率、改善风电质量、降低风电成本是发展风电技术的i ； 提条件， 偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一，它可以使风电机组充分 利用风能，提高j 义l 能利用效率以及提高风力发电机的安全可靠性。偏航系统的主要作 用有两个：其一是与风力发电机组的控制系统相互配合，使j x l 力发电机组的风轮始终 处于迎风状态，充分利用j x l 能，提高风力发电机组的发电效率；其二是提供必要的锁 紧力矩，以保障风电机组的安全运行。对于大型并网型风力发电机组来i 兑，偏航系统 通常采用主动偏航的齿轮驱动形式。其原理是通过风传感器检测j x l 向、风速等信息， 并将检测到的风向信号送到微处理器，微处理器计算出风向信号与机舱位置的夹角， 从而确定足否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。当需要调整方 2 麟 慨 蝴 毫 慨 o 鼢 蝴 蝴 勰 鼢 溉 溉 泓 泓 1 1 1 1 ， 8 6 4 2 o ，矿，矿夕，q 机构，偏航驱动减速机在驱动电机的 风向的目的【5 卅。 图1 2 偏航系统视意图 偏航系统主要由偏航测量、偏航驱动装最，扭缆保护装置三大部分组成。偏航驱 动装置的传动部分主要由偏航电机、偏航驱动减速机、偏航传动齿轮、偏航轴承、偏 航刹车组成。偏航减速机是大型风力发电机构配套的回转机构，要求径向体积小承载 能力强，并能适应瞬时冲击较大的负荷，以完成回转风叶定向功能。在一台风力发电 机组内，一般由3 到4 台偏航驱动减速机同时与偏航轴承啮合，使机舱能稳定低速绕 塔架转动，保持风轮的对风状态。偏航驱动装置要求起动平稳，转速均匀无振动现象。 兆瓦级风电机组是国家大力发展的新能源装备，偏航、变桨减速机是风电机组的关键 部件之一，其传动比大，传递扭矩大，工作环境恶劣，要求可靠性高、寿命长。国内 兆瓦级风电系统的偏航与变桨减速器主要依靠进口，严重阻碍了国产兆瓦级风电机组 的发展。目前偏航减速机采用的多为行星齿轮传动形式。 由于风力机机体内部空间的限制，使得偏航驱动减速机的安装空问很有限。因此 在满足载荷条件下，要求实现偏航减速机的结构简单、轻量、小体积等，这对整个风 力机的安装和维护都有很大的意义。目前，j x l 电行业中所使用的减速机大多为多级行 星传动机构，而很少有活齿传动机构的应用。对于大功率的风力发电机组，偏航减速 机所要承载的负载、传动比和扭矩更大。在相同传动比的情况下，采用行星传动形式 的偏航减速机，其体积会更大，整体系统的传动链也相应增长，这样在实际有限的安 装空间下，就满足不了使用要求i 卜圳。 本文研究的足一种新型偏航驱动减速机，其结构是：级采用行星齿轮传动，二、 三级采用销轴式活齿传动，实现两者优点的巧妙结合，使这利- 新型的偏航减速机，不 仅具有结构简单、承载能力强的特点，而且还具有减速比范围大，抗冲击力强的优点。 多工况风电偏航减速机轮齿接触机理研究 该新型偏航减速机的输出齿轮与风力发电机的偏航齿轮啮合联结，用以实现调控风力 发电机风轮的方向和角度，确保风力发电机在风力大小、方向复杂多变的条件下，仍 能稳定运转发电。 1 3 国内外轮齿接触分析研究现状 轮齿损伤是风电齿轮箱中故障率排在第一位的故障，而行星传动是典型的低速， 重载，变转矩，减速传动。在齿轮箱的故障率中行星传动的故障率约占4 0 1 1 0 1 ，因 此行星齿轮的轮齿损伤是偏航减速机发生故障的主要原因。减速机在运转过程中，力 矩通过齿轮间啮合传递着，随着啮合位置的变化，齿面受到交变的接触应力作用，当 往复次数达到极限后，会出现齿面点蚀或金属剥落现象。如果接触应力超过材料的强 度要求时，会造成轮齿折断。并且，由于轮齿表面不是绝对光滑，会存在磨擦生热， 经过高雅啮合易造成齿面胶合。为提高齿轮承载能力，保证偏航减速箱运转的可靠性， 同时为达到减速箱轻量化的目的，有必要研究齿轮接触强度分析机理，从根本上研究 接触应力对齿轮强度的影响，并将其融入到齿轮的设计中去。 轮齿接触分析是一种高度的非线性行为，涉及复杂的力学、润滑技术、材料科学、 等方面的科学工程。经典的赫兹理论是由h e r t z 在1 8 8 1 年提出，此理论奠定了齿面接 触强度计算的理论基础1 1 1j 。1 9 0 8 年，威迪基( e v i d e k y ) 首次把赫兹理论应用于直齿轮 的齿面接触强度计算中，定义了齿面接触应力的概念i l2 。c o n r y 于1 9 7 3 年求出齿轮 系统弹性变形情况与接触区的应力分布i l 引。c h o y 提出通过改变接触单元大小来补偿 将接触区分布力简化为集中力作用所带来的误差i l 引。 近些年来，随着计算机技术的快速发展与分析软件的不断更新，国内外学者对于 风电齿轮箱齿轮强度的研究主要集中在两个方面：齿轮啮合瞬间，啮合齿齿面的接触 应力与应变的研究；二是齿轮啮合传动过程中，动念的研究齿轮副的受力情况。 k o u s a k uo h n o 采用有限元分析方法，建立齿轮接触的三维有限元模型，进行了 静态分析，计算出齿廓修形前与齿廓修形后齿轮在不同啮合位置的接触应力l l 引。j w a n g 在齿轮啮合的有限元分析方面进行了大量的研究，并取得了一定的进展，分析 了直齿轮传动过程中啮合刚度的变化，采用自适应网格划分方法，建立圆柱直齿轮的 整体模型，求得齿轮啮合过程的接触应力等。其他一些学者还进行了轮齿齿廓的修形 分析，研究修形的后轮齿应力分布的变化，进而对齿轮进行优化1 1 6 17 1 。 在困内，杨生华研究了有限元法在齿轮齿根和接触应力及轮齿变形计算中的应用 i l 引，佟景伟进行了齿轮静态与动态接触分析，分析了不同脉宽冲击载荷对齿根应力的 影响l 。9 j ，王进礼等人应用a n s y s 有限元分析软件，研究了齿轮在动念冲击作用下齿 根不同过渡圆角对齿根最大动应力的影响，给出了过渡圆角一齿根最大应力变化图 1 2 0 1 ，王玉新利用有限，亡法讨论了直齿圆柱齿轮衡根弯曲应力1 2 ，朱才朝等建立了大型 4 硕十学位论文 风力发电机齿轮箱传动系统具有外啮合的输出级和具有内啮合的输入级齿轮多对轮 齿接触有限元模型，提出了一种内外齿轮副啮合过程中实际接触轮齿对数、齿间载荷 的分配及齿面载荷分布的计算方法【2 2 1 ，高学敏建立了风力发电机增速箱有限元模型， 对齿轮进行静力接触分析及冲击载荷数值模拟，设计了风力机传动试验台l ，王超研 究齿轮转动惯量和传动轴的扭转振动对齿轮应力变化的影响【2 3 1 。 1 4 课题的研究意义 随着风力发电机国产化程度的不断扩大，然而我国制造业与欧美发达国家还有一 定的差距，因此国产化风力发电机可靠性问题逐渐显现出来。风力发电机组的故障频 繁成为客户投诉、申告的主要原因，甚至威胁到风力发电机的正常国产产业化，因此， 风力发电的可靠性是非常重要和必要的。 齿轮箱作为机械设备中一种必不可少的传递运动和动力的通用零部件，广泛应用 在诸多工业中。随着科学技术的快速发展，对传动齿轮箱高速、重载、轻量化和运转 平稳要求与同俱增，尤其是风电用齿轮箱，既要传递功率大、体积小、重量轻，又要 满足高可靠性的苛刻要求。齿轮箱是否正常工作，直接关系到风电机组整体正常运行。 由于我国的风电事业不成熟，缺乏知识的积累与储备，还处于学习和引进国外的先进 技术阶段。在国产化过程中往往采用降低精度，加大尺寸的策略提高其可靠性，使得 国产化的产品比较笨重。因此对减速机进行传动系统的动力学与静力学分析来评估减 速机的可靠性研究是非常重要的工作。 1 5 课题来源及论文研究内容 随着风力发电机的兆瓦级的开发应用，风力机机组总体重量同益加重，因此对于 偏航减速机结构强度的可靠性问题同益突出。为了降低成本，减轻重量，提高偏航减 速机工作的可靠度，需对传动系统中关键零部件进行接触强度分析。这就需要对原有 的设计方案进行模拟仿真强度分析，进行不同工况下的强度校核。因此，湖南省某风 电公司与湖南大学合作的项目一1 5 m w 风力机组偏航驱动机构研发。本论文为该项目 其中的一部分，即对1 5 m w 风电偏航减速机一级行星传动部分进行静态接触强度分 析和动力学分析，揭示行星齿轮接触应力以及齿轮啮合过程中应力的规律变化情况， 为未来一级行星传动部分的改型设计提供技术参考。本项目中将新的有限元技术应用 到阁内行星齿轮接触分析研究中，大大提高了对齿轮的运转仿真的准确性，缩短研发 周期，给企业带来良好的经济效益。 论文的主要内容如下： 第l 章绪论。主要包括图内外风电发展状况与趋势、新型风电偏航驱动减速机 概述、幽内外轮齿接触分析研究现状、课题的研究意义和课题来源及论文研究内容。 第2 章轮齿接触理论及其有限元方法。主要包赫兹接触理论、接触有限元分析 方法、a n s y s 有限已软件的接触分析等内容。 5 多工况风电偏航减速机轮荫接触机理研究 第3 章偏航驱动减速机行星齿轮静态接触分析。主要包括新型偏航驱动减速机 行星传动部分有限元模型前处理、网格划分、接触对建立、定义边界条件及求解、多 工况结果对比分析等内容。 第4 章不同气候对风电偏航减速机轮齿接触分析的影响。主要包括轮齿啮合摩 擦力产生机理、考虑摩擦力的齿轮接触应力计算及分析结果等内容。 第5 章偏航驱动减速机行星传动部分动力学分析。主要包括接触一碰撞数值计 算方法、动力学分析的前处理及求解仿真结果分析、不同工况下的结果对比分析等内 容。 第6 章结论与展望。 文章结构图如图1 3 所示 第。章绪论 分析研究7 景和意 义，提风l u 偏航 减速机减振降噪研 究的最婴性 第：章伞 第五孥 分析f j j f 究 与数仇模 拟 第入章 研究结论 匿焉侈糊髀 动力学f 二鼍 仿真l 第瓦章 噪声预测 和减振降 噪研究 在a d a m s 中建札 基j ：虚拟f t 机的 动j 学模掣，动 h 哗嵌氧 接边界元法 a 1 、注 板块贞献繁理论 图1 3 文章结构图 6 求解额定i ：况 卜偏肌驱动减 速机箱体的上 要激励 星的以定唠行暇励激为山激与触脑内 销接激与啮曲的婴轮念洒轮善齿动及齿 动析振要传分机t雨，进醮 论础减成内卯幕动肜原 学的驱声声胖航噪在机偏动 偏速声 章电减噪里一风动动健 第犁驱掂杉 新航机 体速 瀚度 得的 体振箱和的 机析体解迷分箱求减念机应仃模选响进的减动 动射献减纠 驱辅贡行得案航的块进，办俯体；板法究的行箱测川厅研噪进机颅采折啖降选小分降撤减吆u咀振减 型电航幼速减降机与真析新风偏驱减机振噪理仿分 硕t ：学位论文 章轮齿接触理论及有限元方法 接触问题是生产和生活中普遍存在的力学问题。在工业设计的诸多领域，如：齿 轮、滚动轴承以及轴和轴承的接触、制动刹车盘等都有接触发生。偏航减速箱是通过 齿轮间的啮合来传递扭矩，是典型的接触问题，为了保证齿轮箱的良好运行，有必要 对轮齿进行接触强度分析。 接触问题是弹性力学中重要的一部分，由于接触的非线性，使得工程分析研究较 为困难，目前主要有两种方式：解析法和数值法。 解析法即经典接触力学可以应用位移势函数或者拉普位移函数等求解，由于数学 求解的困难，对于不规则结构体问题，还不能得到闭合解，因此经典接触力学应用范 围有限，但它可以揭示接触问题的一般规律。 数值解法主要有3 种1 2 5 j ：有限差分法、边界元法和有限元法。有限差分法是将基 本微分方程改为差分方程，对于不规则结构体问题时，精度降低，因此较少应用在齿 轮强度分析。边界元法足先将求解域内的控制方程用数学方法( 如格林公式或加权余数 法) 转化为求解域边界上的边界积分方程，再用数值解法求出边界结点上待求量的近似 解，然后根据边界结点量计算得到区域内任意点的待求量1 2 6 l 。这种方法适用于大应力 梯度的边界问题。但求解效率较低，在单元网格较多时计算困难。有限差分法和边界 元法是建立在解析法上的数值求解方法，而有限元法是建立在力学模型上进行近似计 算，它的特点是把整体离散化，再对离散化的模型进行数值求解，随着计算机的普及， 有限元法是一种通用可靠的分析方法。有限元法能处理不规则结构体、复杂的载荷和 边界条件，能充分反映齿轮体的应力分布，目前广泛应用在齿轮的强度校核中。 2 1 赫兹接触理论 赫兹理论以接触疲劳为主要失效形式，对点接触情况给出了一套完整的理论解， 对线接触给出了部分理论解2 7 1 。早期人们侧重于寻找经验公式，有的公式已经为一些 工程应用所采用1 2 8 1 。对于几何形体简单的接触问题，赫兹公式能方便的解决，但对于 外形复杂的实体接触，赫兹公式不能确切反映接触体几何特征的影响1 2 9 1 。 2 1 1 轴线平行的两圆柱体的接触应力 轴线平行的两网柱体发生挤，= & 接触，当力尸沿着z 方向作用时，由于材料的塑性， 接触位置发生发生局部的变形，在纵向，接触区域从线接触转化成面接触，接触线变 成宽度为拍的矩形面。在端面方向，变形区域如同椭圆平面，接触面上各点的单位 压力与形变有关，z 轴上的变形量大，则产生最大单位压力肋。其他各点的单位压力 p 是按椭圆规律分布的。接触面卜其余各点的单位压力p 是按照半椭圆断积规律分布 多工况风电偏航减速机轮齿接触机理研究 的，如图2 1 所不。 椭圆方程为： 1 p 2 p o + 告= ， d 。 接触平面任意位置的单位压力： p = p n f l y 2 总压力： p 。m = p d p j 卯在从几何意义上可以理解为半椭球的体积，因此， p “m 2 1 l p o a b ， 接触面上最大单位压力p o 称为接触应力由于力的平衡原理， 接触单元的总压力肌跏因此： 2 p 风。面 图2 1 两圆柱体接触 根据赫兹公式，得出长方形接触面的半宽( 赫兹半径6 ) b = ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 施加载荷p 等于 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中，卜岛分别是两个圆柱体的材料弹性模量，1 ，l 、v 2 分布式两个圆柱体的材料泊 代入式( 2 5 ) 可得出经典的赫兹公式： 8 硕十学位论文 2 1 2 齿轮接触应力 仃h 。 ( 2 7 ) 渐开线直齿轮的轮齿表面是相对复杂的曲面。由于接触椭圆形的宽度远小于接触 位置的曲率半径如图2 2 所示，因而可进行简化处理。w e c k 等人1 3 0 】的试验结果表明： 当运转条件相同时，轮齿问的接触状态可用一对滚子来模拟。所以图2 2 中所示的一 对齿轮啮合就可以简化为如图2 1 所示的两个圆柱体接触，圆柱体的半径为啮合位置 齿轮的齿面曲率半径。 w 1 ，一、 图2 2 齿轮啮合图 因此可以用式( 2 7 ) 来简化求解齿轮啮合时的接触半径： 委： + ：土+ 一：l f 上+ 土1 ( 2 8 ) 一= 一+ 一= 一+ 一= i 一+ 一l i z 5 ， r 墨尺2 ls i n r b 2s i n a ” s i n i 、r h lr h 2 。 将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) ，可以得出齿轮啮合时，齿轮表面的接触应力计算式： o - h2 1l p l2 z t l 丝+ 丝 e le 2 如果两圆柱体的材料卡h 同，当取泊松比，= 0 3 时 咿8 璧一o 4 t 8 9 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 多工况风电偏航减速机轮齿接触机理研究 2 2 接触分析有限元分析方法 2 2 1 有限元分析方法 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 的基本思想是“化整为零，积零为整 ， 即将连续的结构体离散为单元组合。由于单元各自形状不同与排列方式各不同，因此 可以将形状复杂的结构体单元化。有限单元法的特点是通过设定每个单元内的近似函 数来表示全求解域上待求的未知场函数总刚方程，计入边界条件后即可求解各结点 量，进而求得整个场域内的近似解。 使用有限元法的基本步骤是物体离散化、单元特性分析、单元组集、求解未知节 点位移【3 l 】。离散化：有限元求解的基础，离散化后的结构体转换为由单元体组成的单 元组，单元之间通过边界处的节点相互联系，节点的位移是求解未知量得基本参数。 单元特性分析包括：选择位移模式、分析单元的力学性质、计算等效节点力三个方面， 选择位移模式即选择以节点位移表示为坐标变量的简单函数，来反映节点应变、应力 等其他未知量。分析单元的力学性质是通过单元的各个物理性质建立力和位移的方程 式，导出单元的刚度矩阵。计算等效节点是改变单元之间力传递的媒介，把传递力的 单元转化为单元边界上的节点。单元组集：把各个单元刚度矩阵根据平衡条件和边界 条件按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程。求解未知节点位移：就是 根据边界条件求解基础未知量的过程。 常用的有限元数值计算方法有节点约束法( k i n e m a t i cc o n s t r a i n tm e