任文彬,王碧石
大慶油田裝備制造集團(tuán)銷售公司,黑龍江大慶 163311
風(fēng)力發(fā)電的過程就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低,遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速,必須通過增速器齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn),而行星齒輪增速箱(文中簡稱為齒輪箱)是最為常見的一種。
行星架是齒輪箱中的關(guān)鍵零部件,工作時(shí)承受較大的隨機(jī)扭轉(zhuǎn)載荷。行星架一旦失效,會導(dǎo)致整個齒輪箱的失效、風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī),所以要在設(shè)計(jì)階段確保行星架不發(fā)生破壞
本文將運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS-WORKBENCH(AWB)對行星架進(jìn)行線性靜力結(jié)構(gòu)分析,證實(shí)該行星架符合風(fēng)電的相關(guān)規(guī)定。
AWE的實(shí)體建模功能,比ANSYS有所提高,但相對于專業(yè)CAD軟件,還是有所欠缺。而AWE可以通過IGES格式導(dǎo)入由各個CAD軟件所作的實(shí)體模型,而且對于主流的CAD軟件還集成有專門的插件,避免了以往通過IGES格式導(dǎo)入數(shù)據(jù)而造成的單元丟失等問題,保證了最好的CAE結(jié)果。
圖1 行星架的三維實(shí)體模型
根據(jù)廠家提供的圖紙,采用三維CAD軟件Solidworks,建立了行星架的三維實(shí)體模型,如圖1所示。
將行星架的三維圖導(dǎo)入到AWB中,在“Engineering Data”菜單下輸入行星架的的材料參數(shù),以便建立行星架的有限元模型。本文中,行星架采用QT700-2,查找文獻(xiàn)1可知QT700-2的抗拉強(qiáng)度為700MPa,屈服強(qiáng)度為420 MPa,密度為7 300kg/m3,彈性模量為1.55GP,泊松比為0.27。
網(wǎng)格的質(zhì)量對分析的結(jié)果有重要的影響,網(wǎng)格劃分越細(xì),結(jié)點(diǎn)越多,計(jì)算結(jié)果越精確,不過網(wǎng)格加密到一定程度后計(jì)算的精度的提高就不明顯了,而且越密集的網(wǎng)格就意味著需要花費(fèi)更多的計(jì)算時(shí)間。所以網(wǎng)格劃分的原則是:對零件受力處和應(yīng)力梯度變化明顯處(如應(yīng)力集中處)細(xì)化網(wǎng)格,對應(yīng)力、變形變化平緩的區(qū)域不必細(xì)化網(wǎng)格。
AWB軟件中,默認(rèn)利用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元和20節(jié)點(diǎn)的六面體單元劃分單元。由于該行星架的尺寸較大,不宜選用過細(xì)的網(wǎng)格劃分,所以對其采用AWB默認(rèn)的網(wǎng)格劃分,并在扭矩輸入的部分1(見圖1),可能發(fā)生應(yīng)力集中的圓角過度處和與軸承配合的部分2、3上細(xì)化網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的結(jié)果共有77367個單元,126389個節(jié)點(diǎn)。
在工作過程中,行星架中的部分1與脹緊套相配合,并將脹緊套傳遞來的工作扭矩傳至行星輪系。在行星架的工作過程中,行星架所受的載荷有三個來源:自身產(chǎn)生的重力、脹緊套給予的預(yù)緊力和由葉輪方向輸入的工作扭矩。所以在行星架的線性靜力結(jié)構(gòu)分析過程中,應(yīng)該考慮這三種載荷的共同作用。
由于部分1的結(jié)構(gòu)較為簡單,所以將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為三個大小相等,成逆時(shí)針分布的三個力,施加在與太陽輪配合的三對孔上。脹緊套的預(yù)緊力以Press(壓力)的形式施加在部分1上。重力則以標(biāo)準(zhǔn)的地球重力加速度施加在整個系統(tǒng)中。
在約束方面,由于部分1的結(jié)構(gòu)較為簡單且應(yīng)力集中較小,故將其設(shè)為Fixed Support(固定約束),約束全部六個自由度;部分2、3是與軸承配合的部分,故施加Cylindrical Support(圓柱面約束),約束5個自由度,僅允許切向旋轉(zhuǎn)。
具體的受力與約束情況如圖2所示。
圖2 行星架的受力和約束
線性靜力結(jié)構(gòu)分析可得到多種不同結(jié)果:各個方向和全部的變形,應(yīng)力應(yīng)變分量,主應(yīng)力應(yīng)變或者應(yīng)力應(yīng)變不變量,支反力等。本文主要要得到行星架的應(yīng)力與變形的相關(guān)結(jié)果。
行星架的應(yīng)力云圖如圖3所示,等效應(yīng)力(von-Mises)的范圍為0MPa ~191MPa,最大應(yīng)力出現(xiàn)在既處于過度圓角上,又靠近行星架與行星輪相連接的位置,該位置產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中,符合力學(xué)原理。行星架的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于QT700-2的許用應(yīng)力,符合設(shè)計(jì)要求。
行星架主要的變形是因扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的,所以這里采用柱坐標(biāo)系,觀察零件在Y軸方向上的旋轉(zhuǎn)位移。柱坐標(biāo)系和變形云圖如圖4所示,最大變形為-0.605mm(即零件在逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)了0.605mm),出現(xiàn)在最外圈。根據(jù)公式1,算出扭轉(zhuǎn)角φ等于0065°,小于許用的0.292°(文獻(xiàn)2中規(guī)定),證明了行星架的變形量符合設(shè)計(jì)要求。
r表示半徑,s表示位移,φ表示扭轉(zhuǎn)角
圖3 行星架的應(yīng)力云圖
圖4 行星架的位移云圖
本文通過有限元法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的行星架進(jìn)行了靜力學(xué)分析。通過靜力學(xué)分析可以了解行星架的應(yīng)力和變形情況,證明該行星架的設(shè)計(jì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。本文的結(jié)論有助于對行星架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,本文的方法也可以用于其它產(chǎn)品的開發(fā)階段,有利于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次通過率,降低研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期。
[1]科標(biāo)工作室.國內(nèi)外金屬材料手冊[M].南京:江蘇科技出版社,2005.
[2]中國船級社.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2003.