一種齒輪箱懸掛裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊超，岳濤，胡偉輝

一種齒輪箱懸掛裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊超，岳濤，胡偉輝

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

隨著載荷的增大，現(xiàn)有齒輪箱懸掛裝置中的主要承載金屬部件的極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)越來越小，其配套彈性支撐的疲勞壽命安全系數(shù)也越來越低。本文對(duì)齒輪箱懸掛裝置的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度進(jìn)行了極限工況和疲勞工況仿真分析對(duì)比，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的主要金屬部件進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測(cè)對(duì)比，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的彈性支撐進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)對(duì)比。最終設(shè)計(jì)出一種新型的齒輪箱懸掛裝置，提高了懸掛裝置中主要金屬部件的極限和疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，提高了配套彈性支撐的疲勞壽命安全系數(shù)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；齒輪箱懸掛裝置；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；仿真分析；疲勞預(yù)測(cè)

風(fēng)能是因空氣流做功而提供給人類的一種可利用能量，屬于可再生、綠色清潔能源，是新能源開發(fā)的重要對(duì)象，風(fēng)力發(fā)電也隨之得到極大發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展減小了對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，但如果處理不當(dāng)，也有增加噪聲污染的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)鏈由輪轂、主軸、齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)等部件組成。齒輪箱的作用是將主軸在輪轂端的低轉(zhuǎn)速變?yōu)榘l(fā)電機(jī)端的高轉(zhuǎn)速，是傳動(dòng)鏈中的關(guān)鍵部件，必須保證正常運(yùn)行。齒輪箱在運(yùn)行過程中受到輪轂傳遞的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的扭轉(zhuǎn)載荷，同時(shí)齒輪箱將該扭轉(zhuǎn)載荷傳遞給機(jī)架，在載荷的傳遞過程中會(huì)產(chǎn)生噪音，也有可能產(chǎn)生共振，而安裝減振裝置可以解決此問題[2]。

齒輪箱懸掛裝置是四點(diǎn)支撐傳動(dòng)系統(tǒng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)減振系統(tǒng)中的一種典型結(jié)構(gòu)，目前大部分結(jié)構(gòu)采用的是帶有調(diào)節(jié)螺栓的。這種結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)彈性支撐與“回”型金屬框架組合而成，金屬框架由橫梁、支撐管柱、底板以及緊固件組成。齒輪箱扭力臂置于上、下彈性支撐之間，彈性支撐安裝在“回”型金屬框架的橫梁和底板上面。整個(gè)“回”型金屬框架通過緊固件固定在機(jī)架上。彈性支撐在安裝時(shí)有一定的預(yù)壓縮量。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有齒輪箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)

目前的齒輪箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)，存在安裝過程復(fù)雜、配套彈性支撐容易損壞、橫梁安全系數(shù)較低等問題。彈性支撐損壞如圖2所示。

1 齒輪箱懸掛裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)有技術(shù)問題

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組裝進(jìn)行齒輪箱對(duì)中時(shí)，通過擰動(dòng)裝在齒輪箱懸掛裝置橫梁和底板中間位置的調(diào)節(jié)螺栓，使頂塊上下運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)彈性支撐的壓縮量，以調(diào)節(jié)齒輪箱的高度，實(shí)現(xiàn)齒輪箱對(duì)中。隨著調(diào)節(jié)量的增加，彈性支撐的擠壓量越來越大，需要的作用力也越來越大，調(diào)節(jié)量不易控制，需要不斷查看對(duì)中儀器，故這種安裝、調(diào)高和更換過程非常復(fù)雜麻煩，很容易出現(xiàn)人為操作誤差。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行一定時(shí)間后彈性支撐發(fā)生較大蠕變時(shí)，通過調(diào)節(jié)螺栓頂起頂塊來調(diào)整彈性支撐的壓縮量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)懸掛裝置的正常工作，這種方式使得彈性支撐的橡膠應(yīng)力變大，會(huì)降低彈性支撐的疲勞壽命，如圖3所示。

圖2 現(xiàn)有齒輪箱懸掛裝置中彈性支撐損壞照片

圖3 現(xiàn)有齒輪箱懸掛裝置的工作示意圖

現(xiàn)有齒輪箱懸掛裝置在橫梁中間因裝有調(diào)節(jié)螺栓和頂塊結(jié)構(gòu)，故橫梁上設(shè)計(jì)有孔結(jié)構(gòu)，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的增大，輪轂傳遞給齒輪箱的載荷也越來越大，而在運(yùn)行過程中橫梁是懸掛裝置的主要承載金屬部件，故現(xiàn)有懸掛裝置橫梁的安全系數(shù)越來越低。

風(fēng)機(jī)功率的提升對(duì)懸掛裝置及其彈性支撐使用的全生命周期可靠性要求同步提升，通過可靠性思維在風(fēng)電齒輪箱懸掛裝置設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，識(shí)別出影響懸掛裝置安全性與可靠性的關(guān)鍵零部件為彈性支撐和橫梁，兩個(gè)部件是懸掛裝置可靠性的瓶頸與薄弱點(diǎn)，因此對(duì)懸掛裝置橫梁和彈性支撐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證，即可提升懸掛裝置的可靠性[3]。

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

針對(duì)目前的齒輪箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種齒輪箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化齒輪箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)示意圖

本文提出的優(yōu)化齒輪箱懸掛裝置，其整體結(jié)構(gòu)由兩個(gè)彈性支撐與“開”字型金屬框架結(jié)構(gòu)組合而成。金屬框架由上橫梁、下橫梁、支撐管柱、一系列不同厚度規(guī)格的調(diào)整墊片以及緊固件組成。齒輪箱扭力臂置于上、下彈性支撐之間，兩個(gè)彈性支撐安裝在“開”字型金屬框架的上橫梁的下方和下橫梁的上方，一系列不同厚度規(guī)格的金屬調(diào)整墊片在安裝時(shí)墊在懸掛裝置與機(jī)架之間。整個(gè)“開”字型金屬框架通過緊固件固定在機(jī)架上，彈性支撐在安裝時(shí)也有一定的預(yù)壓縮量。

這種懸掛裝置設(shè)計(jì)時(shí)在懸掛裝置與機(jī)架之間預(yù)留了一定的空間間隙，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組裝時(shí)，將懸掛裝置的金屬框架安裝好后，再在預(yù)留的空間間隙內(nèi)根據(jù)實(shí)際測(cè)量間隙值塞加不同規(guī)格厚度的金屬調(diào)整墊片（圖5），從而實(shí)現(xiàn)懸掛裝置的安裝和齒輪箱的對(duì)中。這種結(jié)構(gòu)取代了以前的調(diào)節(jié)螺栓和頂塊裝置，使安裝和對(duì)中過程變得簡(jiǎn)單快捷，可防止出現(xiàn)人為操作誤差，避免了彈性支撐被頂塊裝置頂起時(shí)增加的橡膠壓縮量，從而減小彈性支撐的橡膠應(yīng)力。

在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行期間出現(xiàn)彈性支撐破壞需要更換時(shí)，“開”字型金屬框架的下橫梁下方有放置千斤頂?shù)目臻g，使得機(jī)艙內(nèi)千斤頂?shù)牟僮骺臻g較大，作用位置也較寬，整個(gè)更換步驟簡(jiǎn)單快捷有效。

圖5 優(yōu)化齒輪箱懸掛裝置所用的調(diào)整墊片結(jié)構(gòu)示意圖

另外，現(xiàn)有齒輪箱懸掛裝置配套的彈性支撐因有調(diào)節(jié)螺栓和頂塊結(jié)構(gòu)，其彈性支撐只能設(shè)計(jì)成中間位置為橡膠的實(shí)心結(jié)構(gòu)。而優(yōu)化設(shè)計(jì)的齒輪箱懸掛裝置配套的彈性支撐可以是實(shí)心結(jié)構(gòu)或空心結(jié)構(gòu)，故配套的彈性支撐結(jié)構(gòu)形式更加多樣化，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化的懸掛裝置的配套彈性支撐示意圖

優(yōu)化的齒輪箱懸掛裝置還避免了主要承載金屬部件橫梁中間位置的孔結(jié)構(gòu)，提高了金屬橫梁的安全系數(shù)，兩種結(jié)構(gòu)中橫梁結(jié)構(gòu)的對(duì)比如圖7所示。

圖7 橫梁結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

2 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的有限元分析對(duì)比

通過有限元仿真分析，可以計(jì)算并對(duì)比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的剛度，以及在極限工況和疲勞工況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況，同時(shí)可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否滿足載荷要求。

2.1 懸掛裝置的有限元分析模型

齒輪箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)彈性支撐與金屬框架組合而成，彈性支撐由天然橡膠和金屬組成。彈性支撐及其橡膠部分是本仿真分析模型的關(guān)鍵。

天然橡膠是一種具有超彈性的高分子材料，其本構(gòu)模型主要有統(tǒng)計(jì)熱力法和唯象法[4]。而基于唯象法的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，用于模擬研究橡膠在150%內(nèi)的變形，精度較高[5]。因?qū)嶋H運(yùn)行中齒輪箱懸掛裝置的彈性支撐變形并不大，所以本文分析采用橡膠材料Mooney- Rivlin本構(gòu)模型，參數(shù)如表1所示。

表1 Mooney-Rivlin本構(gòu)模型參數(shù)

注：01和10為材料的超彈相關(guān)系數(shù)，反映材料應(yīng)變能的偏微分情況；1為材料的體積壓縮相關(guān)系數(shù)，反映材料體積壓縮應(yīng)變能方面的情況。

懸掛裝置的橫梁采用Q355NE，金屬材料采用線性本構(gòu)模型，其力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 橫梁金屬材料Q355NE的力學(xué)參數(shù)

彈性支撐為實(shí)心多層疊簧式對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可采用二分之一模型計(jì)算產(chǎn)品的剛度和應(yīng)力、應(yīng)變情況，如圖8所示。為了得到對(duì)比結(jié)果，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析計(jì)算運(yùn)用的軟件、加載邊界條件等設(shè)定相同。彈性支撐在受載時(shí)，橡膠會(huì)承受較大的變形，所以在FEA（Finite Element Analysis，有限元分析）模型中，橡膠部分采用雜交單元C3D8H進(jìn)行模擬，金屬部分采用縮減積分C3D8R進(jìn)行模擬。

參數(shù)設(shè)定如下：

（1）有限元分析軟件：ABAQUS 6.13；

（2）螺栓預(yù)緊力：612 kN；

（3）極限工況：0～1800 kN；

（4）疲勞工況：0～900 kN（1.0E6）。

圖8 齒輪箱懸掛裝置的有限元分析模型

2.2 懸掛裝置的剛度分析結(jié)果

現(xiàn)有懸掛裝置結(jié)構(gòu)，需要頂塊頂起一定位移量時(shí)，其剛度才接近技術(shù)要求的200 kN/mm?，F(xiàn)有和優(yōu)化懸掛裝置的剛度分析結(jié)果如表3所示，兩種結(jié)構(gòu)的計(jì)算剛度曲線如圖9所示。

表3 兩種齒輪箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)比

圖9 兩種齒輪箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)的剛度曲線

2.3 極限工況分析對(duì)比

（1）懸掛裝置整體結(jié)構(gòu)在極限工況0～1800 kN下的應(yīng)力如圖10所示?？梢钥闯?，在極限載荷下，優(yōu)化齒輪箱懸掛裝置整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力小于現(xiàn)有齒輪箱懸掛裝置整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

（2）橫梁在極限工況0～1800 kN下的應(yīng)力如圖11所示。可以看出，在同等極限工況下，優(yōu)化懸掛裝置橫梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比現(xiàn)有懸掛裝置橫梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力小，故優(yōu)化結(jié)構(gòu)的橫梁在極限載荷下安全系數(shù)更高。

（3）彈性支撐在極限工況0～1800 kN下的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D12～14所示。為了同等對(duì)比，現(xiàn)有與優(yōu)化懸掛裝置的彈性支撐均是中部為橡膠的實(shí)心結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，在同等極限工況下，優(yōu)化懸掛裝置配套的彈性支撐橡膠應(yīng)力應(yīng)變均比現(xiàn)有懸掛裝置配套的彈性支撐橡膠應(yīng)力應(yīng)變小。由此可以推斷，優(yōu)化懸掛裝置配套的彈性支撐橡膠的抗極限載荷性能更好、疲勞性能更好、可靠性更高。

2.4 疲勞工況分析對(duì)比

（1）懸掛裝置整體結(jié)構(gòu)在疲勞工況為0～900 kN下的應(yīng)力如圖15所示。

（2）橫梁在疲勞工況為0～900 kN下的應(yīng)力如圖16所示。

圖10 懸掛裝置在極限工況下的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

圖11 橫梁在極限工況下的應(yīng)力圖

圖12 懸掛裝置配套彈性支撐在極限工況下的整體應(yīng)力圖

圖13 懸掛裝置配套彈性支撐的橡膠在極限工況下的應(yīng)力圖

圖14 懸掛裝置配套彈性支撐的橡膠在極限工況下的應(yīng)變圖

圖15 懸掛裝置在疲勞工況下的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

圖16 橫梁在疲勞工況下的應(yīng)力圖

3 懸掛裝置金屬框架橫梁的疲勞對(duì)比分析

3.1 金屬疲勞分析的基本方法

如圖17所示，金屬疲勞分析的步驟為[6]：

（1）用ABAQUS仿真分析金屬在疲勞載荷下的應(yīng)力；

（2）將前一步的結(jié)果結(jié)合材料數(shù)據(jù)，運(yùn)用FKM標(biāo)準(zhǔn)[7]分析預(yù)測(cè)金屬疲勞壽命。

3.2 FKM金屬疲勞分析

FKM標(biāo)準(zhǔn)、FE-SAFE軟件和疲勞試驗(yàn)是分析預(yù)測(cè)金屬疲勞壽命的常見方法。其中，F(xiàn)KM標(biāo)準(zhǔn)可用于評(píng)估鋼和鋁材料的極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。本文運(yùn)用FKM標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估分析齒輪箱懸掛裝置橫梁的疲勞壽命。

圖17 金屬疲勞預(yù)測(cè)的基本步驟

3.2.1 金屬材料參數(shù)

齒輪箱懸掛裝置的橫梁材料為Q355NE。FKM標(biāo)準(zhǔn)中鋼材的疲勞壽命曲線如圖18所示。

3.2.2 FKM疲勞預(yù)測(cè)

2.4節(jié)中已得到橫梁在疲勞工況下的應(yīng)力結(jié)果，對(duì)應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷可靠度進(jìn)行評(píng)估即可評(píng)估橫梁的壽命。單應(yīng)力幅和復(fù)合應(yīng)力幅兩種方式將運(yùn)用于橫梁的壽命評(píng)估。

單應(yīng)力幅方式是對(duì)、、三個(gè)方向主應(yīng)力的疲勞損傷可靠度a,σ,i分別進(jìn)行評(píng)估，復(fù)合應(yīng)力幅方式是對(duì)等效應(yīng)力mises的疲勞損傷可靠度a,sv進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)a,σ,i和a,sv均小于1時(shí)，表明構(gòu)件的疲勞壽命滿足要求，否則不滿足要求[8]。本文的橫梁疲勞壽命要求為在0～900 kN工況下其疲勞循環(huán)次數(shù)大于100萬次。

用于計(jì)算疲勞損傷可靠度的關(guān)鍵參數(shù)有應(yīng)力峰值、應(yīng)力谷值、材料極限拉伸強(qiáng)度、考慮尺度因數(shù)后構(gòu)件拉伸強(qiáng)度、-曲線斜率等，其他參數(shù)可以查FKM。

現(xiàn)有和優(yōu)化懸掛裝置橫梁的單應(yīng)力和復(fù)合應(yīng)力疲勞損傷可靠度計(jì)算結(jié)果如表4所示，可知，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)橫梁最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的a,σ,i和a,sv均小于1，說明兩種結(jié)構(gòu)橫梁都滿足2.1節(jié)的疲勞工況，但優(yōu)化結(jié)構(gòu)橫梁最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的a,σ,i和a,sv小于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的，說明優(yōu)化結(jié)構(gòu)橫梁疲勞壽命優(yōu)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的。

Kσ為SN曲線斜率；ND,σ為永久強(qiáng)度拐點(diǎn)相應(yīng)的往復(fù)次數(shù)；σAK為局部節(jié)點(diǎn)的可承載的最大疲勞強(qiáng)度幅值，MPa；σa為應(yīng)力幅值，MPa。

表4 橫梁最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)疲勞損傷可靠度計(jì)算結(jié)果

注：1為Max.Principal；2為Mid.Principal；3為Min.Principal。

4 懸掛裝置配套彈性支撐疲勞試驗(yàn)對(duì)比

疲勞試驗(yàn)、FE-SAFE軟件和Endurica軟件是評(píng)估橡膠疲勞壽命的主要方法[9]。本文通過疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證并對(duì)比現(xiàn)有和優(yōu)化懸掛裝置結(jié)構(gòu)配套彈性支撐的疲勞壽命。

風(fēng)電齒輪箱彈性支撐疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證應(yīng)在產(chǎn)品正常疲勞工況的基礎(chǔ)上考慮1.2倍安全系數(shù)，疲勞次數(shù)不應(yīng)少于1.0E6次[10]。

因此現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的彈性支撐按同樣載荷和同樣頻率進(jìn)行了2.0E6次循環(huán)的垂向疲勞試驗(yàn)，進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，如圖19所示。

試驗(yàn)結(jié)果如表5和圖20所示。

5 結(jié)論

通過仿真分析，得出結(jié)論為：在同工況下，優(yōu)化懸掛裝置結(jié)構(gòu)的橫梁應(yīng)力小于現(xiàn)有懸掛裝置結(jié)構(gòu)的，優(yōu)化懸掛裝置橫梁疲勞壽命優(yōu)于現(xiàn)有懸掛裝置的。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出結(jié)論為：優(yōu)化懸掛裝置配套彈性支撐橡膠的最大應(yīng)力下降51.01%，最大應(yīng)變下降28.19%。

圖19 配套彈性支撐的疲勞試驗(yàn)

表5 懸掛裝置配套彈性支撐疲勞試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

圖20 懸掛裝置配套彈性支撐疲勞試驗(yàn)后照片

通過仿真分析和對(duì)比疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論為：現(xiàn)有懸掛裝置結(jié)構(gòu)配套彈性支撐的仿真最大應(yīng)變位置和試驗(yàn)破壞位置一致，優(yōu)化懸掛裝置彈性支撐疲勞效果明顯優(yōu)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。

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Optimization Design of a Gearbox Suspension Device for Wind Turbine

YANG Chao，YUE Tao，HU Weihui

(Zhuzhou Times New Material Technology Co., Ltd., Zhuzhou 412007, China)

With the increase of the load, the ultimate strength and fatigue strength safety factor of the main bearing metal parts in the existing gearbox suspension device decreases, and the fatigue life safety factor of the elastic support also gets lower. In this paper, the structure of the gearbox suspension device is optimized, the overall strength of the existing structure and the optimized structure on the extreme condition and fatigue condition are compared by simulation analysis, the fatigue life of the main metal parts of the existing structure and the optimized structure are compared according to the FKM standard, and the elastic support of the existing structure and the optimized structure are compared by the fatigue test. Finally, a new type of gearbox suspension device is designed, which improves the extreme and fatigue strength safety factor of the main metal parts in the gearbox suspension device, and the fatigue life safety factor of the elastic support.

wind turbine；gearbox suspension device；structure optimization design；simulation analysis；fatigue life prediction

TM315

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.01.006

1006-0316 (2022) 01-0037-08

2021-03-31

楊超（1988－），男，湖南懷化人，工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組減振器的研制工作，E-mail：yangchao2@csrzic.com。