風力發(fā)電機組偏航變槳齒輪箱體輕量化設(shè)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(chuàng)新研究院，江蘇 南京 210000）

1 前言

偏航變槳齒輪箱是風力發(fā)電機組的關(guān)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(shè)計強度和剛度整體富裕，結(jié)構(gòu)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(yè)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(jié)構(gòu)嚴重不符合行業(yè)發(fā)展要求，急需結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

國外對齒輪箱進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究開始較早。早在1854 年，Maxwell 就提出并定義了優(yōu)化設(shè)計方法，并將此優(yōu)化方法應(yīng)用到實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。1964 年，Dorn W S，Gomory R E 等人又提出用數(shù)值方法解決結(jié)構(gòu)優(yōu)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(yōu)化數(shù)學(xué)模型，使用SUMT 內(nèi)點法為優(yōu)化算法，將質(zhì)量最小設(shè)置為優(yōu)化目標，將結(jié)構(gòu)強度設(shè)置為約束條件，進行優(yōu)化，并編寫了數(shù)學(xué)計算程序。2008 年，孫黎等人使用軟件ANSYS 中的Workbench 模塊對風力發(fā)電齒輪箱進行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)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(nèi)對齒輪箱箱體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計也進入了深入研究的階段，特別是拓撲優(yōu)化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，吸引了眾多研發(fā)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(fù)雜零件，其強度和剛度如何對箱體內(nèi)齒輪傳動系統(tǒng)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(wěn)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(jié)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(gòu)件材料選用鍛鋼，綜合材料參數(shù)如表1 所示。

表1 材料參數(shù)

基于偏航變槳齒輪箱箱體的結(jié)構(gòu)特性，對裝配模型進行網(wǎng)格劃分，并綁定設(shè)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(shè)置固定約束，在兩個軸承處設(shè)置軸向力和徑向力，并在箱體與齒圈連接的面處設(shè)置極限扭矩，具體載荷如表2 所示。

表2 載荷參數(shù)

2.2 有限元分析結(jié)果

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

圖2 靜載荷分析等效應(yīng)力云圖

圖3 靜載荷分析變形云圖

3 箱體拓撲優(yōu)化分析

拓撲優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個重要分支，即在保證產(chǎn)品性能合格的前提下，在特定的區(qū)域內(nèi)尋求材料的最優(yōu)分布，結(jié)構(gòu)最優(yōu)，重量最輕。結(jié)構(gòu)優(yōu)化有三要素，即設(shè)計變量、約束函數(shù)和目標函數(shù)。優(yōu)化過程即使得設(shè)計變量在約束函數(shù)的約束下，達到目標函數(shù)的最佳值。

3.1 拓撲優(yōu)化模型及優(yōu)化區(qū)域設(shè)置

本文以箱體的柔度最小為目標，以材料密度為設(shè)計變量，箱體的質(zhì)量分數(shù)為約束條件建立拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。對箱體的設(shè)計區(qū)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(qū)域設(shè)置為不可優(yōu)化區(qū)，其他區(qū)域設(shè)置為優(yōu)化區(qū)，具體設(shè)置如下圖4所示。

圖4 優(yōu)化區(qū)域設(shè)置

3.2 拓撲優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過workbench 計算，筋板、靠近法蘭連接等區(qū)域的材料較富裕，該區(qū)域的材料可以去除；其他區(qū)域?qū)ο潴w剛度所起作用較大，不宜去除。

4 優(yōu)化模型重構(gòu)及驗證

4.1 優(yōu)化模型重構(gòu)

根據(jù)箱體靜強度計算及拓撲優(yōu)化分析的結(jié)果，在三維軟件中對箱體模型進行優(yōu)化設(shè)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(yōu)化原模型的最大應(yīng)力集中點處結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的模型如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后箱體模型

4.2 分析驗證

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

對比優(yōu)化前后模型相關(guān)參數(shù)，如表3 所示。可知，優(yōu)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(shè)計效果顯著。

表3 優(yōu)化前后模型相關(guān)參數(shù)

5 總結(jié)

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