曹奇
摘 要:隨著我國(guó)社會(huì)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(guó)的風(fēng)力發(fā)電一直沒(méi)有取得較大的成果。而風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)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(guó)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(jì)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(lèi)號(hào):TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
自從世界上第一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電裝置誕生后,人們對(duì)風(fēng)能的利用已經(jīng)進(jìn)入到了系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)發(fā)利用已經(jīng)成為世界未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),利用風(fēng)能發(fā)電就是一個(gè)很好的顯示,但風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中仍然存在許多問(wèn)題,其主要原因就是其內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)制造出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題,這也是制約著我國(guó)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(wèn)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(guò)于龐大,維修不便等原因,因此其裝置必須具備較長(zhǎng)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(wèn)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(duì)整個(gè)齒輪箱的運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要,同時(shí)還要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其使用壽命。
1.2 載荷數(shù)據(jù)處理不完善
在我國(guó)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(guó)對(duì)復(fù)雜荷載的數(shù)據(jù)收集也才剛剛起步,同時(shí)對(duì)于復(fù)雜載荷的處理方法也不夠完善,對(duì)于瞬間載荷,制動(dòng)載荷以及極限載荷等的處理也全憑過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算,另外對(duì)于變載荷的處理時(shí),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(jì)算不合理。
1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算方法不夠成熟
在我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置中,對(duì)于齒輪承載能力的計(jì)算方法也不夠成熟,這主要是國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比較,比如美國(guó)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的設(shè)計(jì)上按AGMA 2101-C95或ISO 6336:1996規(guī)范來(lái)計(jì)算,而我國(guó)一般都按照GB3480來(lái)進(jìn)行計(jì)算,這兩種計(jì)算方法雖然各自都有自己的特點(diǎn),但比較起來(lái)還是發(fā)達(dá)國(guó)家的較為成熟,而我國(guó)的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算
2.1 軸承的壽命計(jì)算
我國(guó)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(jì)算齒輪箱疲勞強(qiáng)度之前,必須先計(jì)算出軸承的使用壽命。而軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,由于套圈與滾動(dòng)體的接觸,使其表面經(jīng)過(guò)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(shuō)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(dòng)軸承,這種軸承摩擦力都很小,而相對(duì)于整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō),軸承的壽命不能低于13萬(wàn)小時(shí)。
2.3 齒輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)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(duì)齒輪的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,一般情況下齒輪的疲勞強(qiáng)度計(jì)算主要有兩種方法,即ISO齒輪強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和AGMA齒輪強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。首先計(jì)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(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使得發(fā)電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng),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(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)下,其齒輪箱難免會(huì)出現(xiàn)故障,因此在本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化中采用的是一級(jí)行星加兩級(jí)平行軸的傳動(dòng)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(jì)變量,通過(guò)風(fēng)電齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖中可以看出,本次所需要選定的設(shè)計(jì)變量主要包括齒數(shù),變位系數(shù),法向系數(shù),計(jì)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(jí)齒輪傳動(dòng)的接觸疲勞強(qiáng)度相等,因此在這個(gè)基礎(chǔ)上根據(jù)其4對(duì)齒輪嚙合副計(jì)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(dòng)比限制條件,行星輪鄰接條件,行星級(jí)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(jì)空間的可行域內(nèi),由多個(gè)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(gè)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(guò)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)出相應(yīng)的優(yōu)化軟件,在程序界面的手動(dòng)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(guò)這個(gè)按鈕可以進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,比如輸入相應(yīng)的條件參數(shù),通過(guò)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(jì)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(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)為了保證彎曲強(qiáng)度,模數(shù)圓整時(shí)應(yīng)取較大的標(biāo)準(zhǔn)值等。
結(jié)語(yǔ)
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(gè)設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(wèn)題,然后根據(jù)對(duì)齒輪箱的疲勞強(qiáng)度計(jì)算和齒輪箱的幾何參數(shù)優(yōu)化對(duì)齒輪箱的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了探討分析,設(shè)計(jì)出優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型,可以對(duì)風(fēng)電齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)分析,實(shí)現(xiàn)了各級(jí)接觸強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo),最后也希望本文的分析探討對(duì)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱等核心部件的設(shè)計(jì)與制造能起到一定的參考作用。
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