馬　興，周明明，賈紀(jì)云

(北京南口軌道交通機械有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，北京 102202)

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基于MASTA的風(fēng)電齒輪微觀修形設(shè)計

馬興，周明明，賈紀(jì)云

(北京南口軌道交通機械有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，北京 102202)

摘要：應(yīng)用先進的齒輪模擬分析軟件MASTA，對某兆瓦級風(fēng)電齒輪箱的高速級齒輪進行了抗疲勞壽命計算，并對齒輪嚙合情況進行了修形設(shè)計分析。分析中考慮了主軸、箱體、軸承、軸和行星架的剛度，考慮了軸承的油隙，確認(rèn)疲勞壽命滿足設(shè)計要求后，通過軟件給出的修形建議值并結(jié)合經(jīng)驗進行了齒輪的微觀修形，通過修形結(jié)果確定了齒輪的修形參數(shù)。齒輪修形大大改善了齒面接觸狀況，降低了齒面載荷分布及齒根彎曲應(yīng)力，大大提高了齒面抗膠合能力，減小了齒輪的傳遞誤差，降低了齒輪傳動振動和噪聲。通過試驗驗證，證明了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：齒輪；MASTA；微觀修形；齒輪傳動

齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機組中關(guān)鍵的零部件之一，其采用的齒輪傳動是一種應(yīng)用廣泛且具有傳遞效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點的機械傳動形式，但是不可避免地存在制造和安裝誤差，使得齒輪傳動裝置的振動和噪聲較大，因而出現(xiàn)故障較多，特別是高速級齒輪出現(xiàn)故障的概率最大；因此，設(shè)計出符合用戶要求的齒輪箱意義重大。齒輪微觀修形技術(shù)對減小齒輪傳遞誤差，改善齒輪傳動的承載能力，提高齒輪的使用壽命具有重要意義。近年來，風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計作為一個關(guān)鍵且有效的技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。

MASTA軟件是得到普遍認(rèn)可的一種齒輪設(shè)計軟件，在國內(nèi)主要的風(fēng)電齒輪箱生產(chǎn)制造商中應(yīng)用廣泛，其集強大的建模和設(shè)計、分析及優(yōu)化功能于一身，在整體計算中可以綜合考慮箱體的支承，箱體、行星架、軸、軸承和花鍵的剛度及齒輪的嚙合剛度等。應(yīng)用MASTA軟件在齒輪修形時，可對齒廓應(yīng)用鼓形修形、壓力角修形、齒頂修緣和修根，齒向應(yīng)用鼓形修形、螺旋角修形、齒端修緣及扭曲修形等不同方法及組合，以得到合理的修形結(jié)果。應(yīng)用MASTA軟件在齒輪修形時，可以定義不同的修形方式進行自動生成優(yōu)化的齒廓和齒向修形參數(shù)值；同時，也可自定義輸入修形參數(shù)值，修形完成后可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評價修形的好壞。本文以北京南口軌道交通機械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的某兆瓦級風(fēng)電齒輪箱的高速級傳動為實例，介紹應(yīng)用MASTA軟件進行齒輪微觀修形設(shè)計的步驟。

1齒輪傳動模型

風(fēng)電齒輪箱高速級齒輪傳遞的額定功率為2 294 kW，額定輸出轉(zhuǎn)速為1 751 r/min。其參數(shù)見表1，其中大齒輪為低速級齒輪(輸入端)，小齒輪為高速級齒輪(輸出端)。

表1　齒輪參數(shù)表

根據(jù)齒輪箱的二維圖樣建立整個齒輪箱的三維傳動模型(見圖1)，其中箱體、異形軸和行星架等以有限元縮聚的方式導(dǎo)入到模型中，MASTA軟件提供了軸承的模型，可以設(shè)置軸承的工作溫度、游隙和配合公差，軸承的非線性剛度由軟件自動計算，按照主機廠提供的載荷譜(Load Duration Distribution，LDD)進行齒輪疲勞強度計算分析，得到高速級齒輪在未修形情況下的各種校核結(jié)果。其中，齒輪計算安全系數(shù)(見表2)包括齒根彎曲、齒面接觸及齒面膠合(積分法和閃溫法)安全系數(shù)。齒面膠合(閃溫法)安全系數(shù)為0.868 8，德國勞氏船級社(簡稱GL)的《風(fēng)機認(rèn)證指南(2010)》標(biāo)準(zhǔn)中對這個安全系數(shù)的要求是≥1.5。傳遞誤差曲線如圖2所示，從圖2可以看出，計算得到最大傳遞誤差為5.578 8 μm；齒面應(yīng)力分布圖如圖3所示，從圖3可以看出，齒面載荷偏載，最大應(yīng)力為2 061 MPa；齒根應(yīng)力曲線如圖4所示，從圖4可以看出，齒根的最大應(yīng)力為593.63 MPa；三維顯示齒面和齒根的應(yīng)力圖如圖5所示；齒面瞬時溫度變化曲線如圖6所示，從圖6可以看出齒面接觸的最高溫度為520.96 ℃，明顯高于齒面的膠合溫度。從上述計算分析結(jié)果可以看出，齒面膠合(閃溫法)計算結(jié)果不合格，齒面和齒根的應(yīng)力有偏載，齒面接觸溫度過高，因此，應(yīng)通過修形來改善上述指標(biāo)。

圖1　齒輪箱整體傳動模型

名稱齒根彎曲齒面接觸齒面膠合(積分法)齒面膠合(閃溫法)大齒輪小齒輪2.3672.6161.3681.2983.64680.8688

圖2傳遞誤差曲線

圖3　齒面應(yīng)力分布圖

圖4　齒根應(yīng)力曲線

圖5　齒面和齒根的應(yīng)力圖

圖6　齒面瞬時溫度變化曲線

2齒輪修形的原則和方案

齒輪修形以改善齒面接觸狀況，降低齒面載荷分布，提高齒面抗膠合能力，減小傳遞誤差為目標(biāo)。修形方案確定后，修形參數(shù)由MASTA軟件推薦及經(jīng)驗值確定，并不斷調(diào)整修形參數(shù)值，以得到最好的修形效果。

2.1齒形修形設(shè)計方案

大齒輪和小齒輪的齒形修形設(shè)計都采用短修形，這是因為在短修形中保留有一半的兩對齒嚙合區(qū)，能夠使載荷平緩嚙入和嚙出，這樣嚙合部分不小于1個基節(jié)，重合度>1，不會產(chǎn)生斷續(xù)嚙合現(xiàn)象[1-2]，可以降低振動和噪聲。

2.2齒向修形設(shè)計方案

大齒輪一般不做齒向修形，小齒輪齒向修形為螺旋角修形和齒向修鼓。這是從加工成本和加工時間的角度來考慮的修形方式。

3基于MASTA修形的計算分析

具體的修形參數(shù)見表3，在MASTA軟件中應(yīng)用表3的修形參數(shù)進行齒輪的微觀修形計算，得到高速級齒輪在修形設(shè)計情況下的校核計算結(jié)果。其中，修形后齒輪計算安全系數(shù)(見表4)包括齒根彎曲、齒面接觸及齒面膠合(積分法和閃溫法)安全系數(shù)。

表3　齒輪修形設(shè)計參數(shù)表

表4　修形后齒輪計算安全系數(shù)

由表4可知，相比齒輪未修形的情況，齒根彎曲和齒面接觸疲勞安全系數(shù)僅有略微的增加，而抗膠合安全系數(shù)卻有很大程度的提高，達到了GL的要求，齒面抗膠合(閃溫法)由未修形時的0.868 8(不合格)提高到1.602(合格)，齒面抗膠合(積分法)由未修形時的3.646 8提高到7.138，幾乎翻了1倍，說明齒輪修形對提高齒面的抗膠合能力有很大的影響。

修形后傳遞誤差曲線如圖7所示，修形后齒面應(yīng)力分布圖如圖8所示，修形后齒根應(yīng)力曲線如圖9所示，修形后齒面和齒根的應(yīng)力圖如圖10所示，修形后齒面瞬時溫度變化曲線如圖11所示。

圖7　修形后的傳遞誤差曲線

圖8　修形后的齒面應(yīng)力分布圖

圖9　修形后齒根應(yīng)力曲線

圖10　修形后齒面和齒根的應(yīng)力圖

圖11　修形后齒面瞬時溫度變化曲線

由圖7可以看出，修形后最大波動值由未修形時的5.578 8 μm降到了1.411 2 μm，修形后的傳遞誤差有了明顯下降，說明修形可以提高齒輪傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性；由圖8可以看出，齒面最大應(yīng)力由修形前的2 061 MPa降為1 069 MPa，應(yīng)力降幅為48.13%，且應(yīng)力分布由齒面偏載變?yōu)辇X面均勻分布，大大改善了齒面的承載能力；由圖9可以看出，修形后齒根的最大應(yīng)力為235.55 MPa，相比修形前的593.63 MPa，齒根最大應(yīng)力幾乎下降了一半，且應(yīng)力分布呈正態(tài)分布；由圖11可以看出， 接觸的瞬時溫度變化由修形前的520.96 ℃降到311.56 ℃，溫度的改善作用非常明顯。

應(yīng)用上述修形的齒輪箱進行加載試驗后，對試驗齒輪箱進行解體，觀察其高速級齒輪副齒面接觸斑點情況(見圖12)。

圖12　修形后小齒輪齒面接觸斑點情況

將圖10與圖12進行比較可以看出，計算結(jié)果與試驗相當(dāng)吻合，齒面接觸均勻、無偏載情況，從而驗證了計算修形的正確性。

4結(jié)語

通過修形前、后結(jié)果的對比分析可知，齒輪修形可以提高齒輪強度和承載能力及系統(tǒng)的傳動平穩(wěn)性，通過試驗也驗證了修形接觸分析的正確性。應(yīng)用MASTA軟件可以考慮彈性支承的剛度、箱體的剛度、軸承的非線性剛度及軸的剛度，比起傳統(tǒng)經(jīng)驗修形具有更可靠且更直觀的特點，修形結(jié)果更合理，且與試驗結(jié)果一致。

參考文獻

[1] 詹東安，王樹人，唐樹為. 高速齒輪齒部修形技術(shù)研究[J].機械設(shè)計，2000(8)：8-10.

[2] 薩本佶. 高速齒輪傳動設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1986.

責(zé)任編輯鄭練

The Design of Gear Micro Modification for Wind Power Gearbox based on MASTA

MA Xing, ZHOU Mingming, JIA Jiyun

(Beijing Nankou Railway Transit Machinery Co., Ltd., Technical Center, Beijing 102202, China)

Abstract：The advanced gear simulation analysis software MASTA is used, analyse the high-speed gear of a megawatt wind power gearbox for fatigue life and gear micro modification design. Consider the stiffness of main shaft, gear box casing, bearing, shaft and carrier, and the clearance of bearing, and the fatigue life meets the design requirements. The proposed value of the modification is given by MASTA software and experience, carry on the micro modification, and determine the gear profile modification parameters by modification result. It improves the tooth contact, the tooth root bending strength and tooth surface scuffing ability, reduces the transmission error and improves load distribution of the tooth face , and reduces vibration and noise of gear transmission. The accuracy of the results are verified by experiments.

Key words:gear, MASTA, micro modification, gear transmission

收稿日期：2015-07-10

作者簡介：馬興(1982-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事風(fēng)力發(fā)電齒輪箱設(shè)計分析等方面的研究。

中圖分類號：TH 132

文獻標(biāo)志碼:A