大型風(fēng)電齒輪箱關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)

曹奇

摘 要：隨著我國社會的發(fā)展與科技的進(jìn)步，發(fā)電行業(yè)除了傳統(tǒng)的火力發(fā)電和水力發(fā)電之外，風(fēng)力發(fā)電也逐漸受到人們的重視，但是由于其內(nèi)風(fēng)電齒輪箱經(jīng)常出現(xiàn)故障的原因，導(dǎo)致我國的風(fēng)力發(fā)電一直沒有取得較大的成果。而風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計制造技術(shù)是其能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的主要保障，相應(yīng)地也就決定了我國的風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展情況。本文主要分析探討的是大型風(fēng)電齒輪箱的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)。

關(guān)健詞：風(fēng)電齒輪箱；載荷；齒輪強(qiáng)度；優(yōu)化

中圖分類號：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

自從世界上第一臺風(fēng)力發(fā)電裝置誕生后，人們對風(fēng)能的利用已經(jīng)進(jìn)入到了系統(tǒng)開發(fā)與利用的階段，而且隨著石油危機(jī)和核電環(huán)保危機(jī)等的出現(xiàn)，風(fēng)能的開發(fā)利用已經(jīng)成為世界未來的發(fā)展趨勢，利用風(fēng)能發(fā)電就是一個很好的顯示，但風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中仍然存在許多問題，其主要原因就是其內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計制造出現(xiàn)質(zhì)量問題，這也是制約著我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)迅猛發(fā)展的主要原因。

1.大型風(fēng)電齒輪箱主要存在的問題

1.1 軸承易損壞

在風(fēng)力發(fā)電裝置中，由于其設(shè)備過于龐大，維修不便等原因，因此其裝置必須具備較長的工作壽命，通常是不能少于20年，而現(xiàn)今的風(fēng)力發(fā)電裝置中出現(xiàn)故障問題最多的就是增速齒輪箱，而軸承就是齒輪箱中最容易出現(xiàn)故障的部件，因此合理地選擇軸承對整個齒輪箱的運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要，同時還要準(zhǔn)確地預(yù)測其使用壽命。

1.2 載荷數(shù)據(jù)處理不完善

在我國由于各地氣候不一，有些地方的風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處的環(huán)境相當(dāng)惡劣，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)所承受的載荷也異常復(fù)雜，然而目前我國對復(fù)雜荷載的數(shù)據(jù)收集也才剛剛起步，同時對于復(fù)雜載荷的處理方法也不夠完善，對于瞬間載荷，制動載荷以及極限載荷等的處理也全憑過往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算，另外對于變載荷的處理時，運(yùn)用的線性積累損傷理論也不夠成熟，最后導(dǎo)致其基礎(chǔ)計算不合理。

1.3 設(shè)計計算方法不夠成熟

在我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置中，對于齒輪承載能力的計算方法也不夠成熟，這主要是國外發(fā)達(dá)國家相比較，比如美國在風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的設(shè)計上按AGMA 2101-C95或ISO 6336：1996規(guī)范來計算，而我國一般都按照GB3480來進(jìn)行計算，這兩種計算方法雖然各自都有自己的特點(diǎn)，但比較起來還是發(fā)達(dá)國家的較為成熟，而我國的設(shè)計計算方法則要落后許多。

2.大型風(fēng)電齒輪箱齒輪疲勞強(qiáng)度計算

2.1 軸承的壽命計算

我國大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)常發(fā)生故障的地方主要集中在齒輪箱上，而齒輪箱的故障主要由軸承引起的，因此在計算齒輪箱疲勞強(qiáng)度之前，必須先計算出軸承的使用壽命。而軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于套圈與滾動體的接觸，使其表面經(jīng)過交變負(fù)荷的反復(fù)作用后而形成疲勞剝落，若這種疲勞剝落發(fā)生在軸承的使用壽命期限以外就是正常的軸承損壞，因此經(jīng)常所說的軸承壽命主要指的是軸承的疲勞壽命。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中所用的軸承主要是滾動軸承，這種軸承摩擦力都很小，而相對于整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，軸承的壽命不能低于13萬小時。

2.3 齒輪疲勞強(qiáng)度的計算模型

在確定出風(fēng)電齒輪箱軸承的疲勞壽命之后，就要對齒輪的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計算，一般情況下齒輪的疲勞強(qiáng)度計算主要有兩種方法，即ISO齒輪強(qiáng)度計算標(biāo)準(zhǔn)和AGMA齒輪強(qiáng)度計算標(biāo)準(zhǔn)。首先計算的是齒輪之間的接觸強(qiáng)度，公式如下所示：

其中：v1，v2分別表示互相接觸的兩圓柱體材料的泊桑比，而E1，E2分別表示互相接觸的兩圓柱體的性模量，而ρred則表示為當(dāng)量曲率半徑。

3.大型風(fēng)電齒輪箱幾何參數(shù)優(yōu)化

在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，齒輪箱是其中的重要機(jī)械部件，其主要功能就是將風(fēng)能所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)并使得發(fā)電機(jī)快速轉(zhuǎn)動，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成電能。但是由于環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致風(fēng)電齒輪箱所承受的載荷更為復(fù)雜，在長時間的運(yùn)轉(zhuǎn)下，其齒輪箱難免會出現(xiàn)故障，因此在本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化中采用的是一級行星加兩級平行軸的傳動結(jié)構(gòu)方式，如圖1所示。

3.1 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型的建立首先要選定設(shè)計變量，通過風(fēng)電齒輪傳動結(jié)構(gòu)圖中可以看出，本次所需要選定的設(shè)計變量主要包括齒數(shù)，變位系數(shù)，法向系數(shù)，計算齒寬以及螺旋角等；其次就是要確定出目標(biāo)函數(shù)，而本次的優(yōu)化目標(biāo)主要是保證各級齒輪傳動的接觸疲勞強(qiáng)度相等，因此在這個基礎(chǔ)上根據(jù)其4對齒輪嚙合副計算出的目標(biāo)函數(shù)為：

然后就是確定出約束條件，而約束條件主要包括傳動比限制條件，行星輪鄰接條件，行星級齒輪均布安裝條件，強(qiáng)度條件，外形尺寸條件以及齒寬條件等。

3.2 優(yōu)化方法

在本次大型風(fēng)電齒輪箱的優(yōu)化中，所采用的優(yōu)化方法主要就是復(fù)合形法。復(fù)合形法主要指的是在N維設(shè)計空間的可行域內(nèi)，由多個頂點(diǎn)所構(gòu)成的多面體，這種優(yōu)化方法必須取最后一個復(fù)合形中的目標(biāo)函數(shù)值最小的點(diǎn)作為優(yōu)化的最優(yōu)點(diǎn)。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

通過計算機(jī)程序設(shè)計出相應(yīng)的優(yōu)化軟件，在程序界面的手動輸入初始基本參數(shù)按鈕是為了方便構(gòu)造復(fù)合形而設(shè)置的，通過這個按鈕可以進(jìn)行優(yōu)化計算，比如輸入相應(yīng)的條件參數(shù)，通過該軟件可以得出優(yōu)化結(jié)果，具體包括最優(yōu)點(diǎn)和最優(yōu)解。另外還要設(shè)計變量，也就是齒數(shù)，模數(shù)等變量進(jìn)行圓整，而圓整必須符合相應(yīng)參數(shù)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，比如齒數(shù)必須為整數(shù)，要滿足裝配的限制條件，齒輪的模數(shù)要符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時為了保證彎曲強(qiáng)度，模數(shù)圓整時應(yīng)取較大的標(biāo)準(zhǔn)值等。

結(jié)語

綜上所述，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，風(fēng)電齒輪箱的載荷非常復(fù)雜，而且這一部分又是整個設(shè)計制造的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，因此為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行，保證風(fēng)力發(fā)電不中斷，機(jī)組不出現(xiàn)故障，對齒輪箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，軸承等部件進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計非常有必要。本文首先概括分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱主要存在的故障問題，然后根據(jù)對齒輪箱的疲勞強(qiáng)度計算和齒輪箱的幾何參數(shù)優(yōu)化對齒輪箱的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)進(jìn)行了探討分析，設(shè)計出優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，可以對風(fēng)電齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵設(shè)計進(jìn)行重點(diǎn)分析，實(shí)現(xiàn)了各級接觸強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，最后也希望本文的分析探討對我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱等核心部件的設(shè)計與制造能起到一定的參考作用。

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