非对称渐开线斜齿圆柱齿轮应用于风电齿轮箱的可行性分析

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非对称渐开线直齿圆柱齿轮作为-种新型渐开线齿轮.最早于20世纪 80年代被 Yoerkie等[ 1提出。随后，Alexander L.Kapelevich等闭、肖望强等翻对非对称渐开线直齿圆柱齿轮的齿形结构以及应力特点进行了研究 研究发现非对称渐开线直齿圆柱齿轮具有很好的单向传动性。在此基础上.李宁等 对非对称渐开线斜齿圆柱齿轮的齿形特点和应力强度进行了研究 这些研究为非对称渐开线 圆柱齿轮得到更好更广泛的应用提供理论依据通过运用 ANSYS W0rkbench模 拟风电齿轮对 的运行工况.对比分析对称和非对称渐开线斜齿圆柱齿轮的应力作用和疲劳寿命.为非对称渐开线斜齿圆柱齿轮应用到风电齿轮箱装置提供可行性分析1 风电齿轮箱的结构特点与故障分析1.1 风 电齿轮箱的主要结构特点风电齿轮箱作为风力发电机组主要传动部件.用于将风轮的动能转化为自身的机械能并最终传递到发电机。在这个过程中，风电齿轮箱除了要传递力矩还要提高转速以满足发电机的转速要求 因风轮的转速- 般是 20～50r/min.而绝大多数发电机的主轴转速为1 000 3 000r/min.所以风电齿轮箱是-种增速变速器.其传动方式多采用行星齿轮系与平行轴齿轮组合传动。目前，对于兆瓦级以下的风电齿轮箱结构，大多采用 1级行星轮系十2级平行轴齿轮传动：对于多兆瓦级的风电齿轮箱结构.大多采用 2级行星轮系1级平行轴齿轮传动，如图 1所示 。

图 1 齿轮箱结构示葸图Fig.1 Schematic diagram of the gear box structure1.2 风电齿轮箱的主要故障分析风电齿轮箱是-种单向传动的、重载、增速传动装置，并且长时间处于无规律风载荷作用下工作：而且风力发电机通常被芭在偏远地方，维修困难 这就对其可靠性提出了严格的要求。风电齿轮箱由于载荷特点复杂、工作环境恶劣以及尺寸重量等要求.使它成为工业齿轮箱中设计制造较为复杂的装置之-。

也是故障率高的工业变速器之-。因此通常要求风电齿轮箱具有使用寿命长 f2O年以上)、能够承受高静态负载、尺寸和重量受限制、效率高、噪音和振动低、以及维护成本低等特点。

收稿 日期：2012年 l1月29日 修回日期 ：2012年 12月 25日第-作者：章宏文，男，1983年生，山西大同人 ，硕士研究生；研究方向为机械传动、机械制造。E-mail：lgownr###163.corn中国农机化学报据相关统计表明L51.齿轮箱中各类零件损坏的比例中，齿轮损坏要高达60%。这说明风电齿传动系统中齿轮的设计制造、装配质量及其维护是非常重要的。

就风电齿轮箱中的行星齿轮组而言.其承载能力主要撒于外啮合 外啮合的中心轮.例如 NGW型的太阳轮 .由于其结构所限，又必须同时与多个行星齿轮相啮合.负载作用显著.变形量大，容易发生齿轮失效 .且内啮合齿轮的接触强度理论上比外啮合高得多 目前风电齿轮箱绝大多数采用的是对称渐开线圆柱齿轮.如果用具有更优单向传动性能的非对称渐开线圆柱齿轮来代替 .将是风电齿轮箱的-个崭新的尝试。

2 非对称渐开线圆柱齿轮与对称渐开线圆柱齿轮的性能对比2.1 非对称渐开线圆柱齿轮具有的优点11突破传统齿轮对工作压力 角的限制。非对称渐开线圆柱齿轮齿形采用双渐开线设计 .具有两个压力角 .在设计 过程科 学地运用 大压力角与小 压力角相搭配 .形成了-种特殊的非对称齿形结构 .使用大压力角能突破传统对称渐开线圆柱齿轮压力角的极限 因为工作压力角的大小直接决定了齿轮的承载能力.较大的工作压力角可以显著地提高渐开线齿轮的承载能力.增强齿根弯曲强度。减小齿轮的接触应力.具有很高的转矩密度和负载容量.而较小的压力角可以有效地控制由于采用大压力角所导致的齿顶过尖。

21高重合度 ，具有最大化的曲率半径。非对称渐开线齿轮齿廓曲线是由两个不同的基圆上的两条渐开线以及它们之间的过渡曲线和齿轮顶圆曲线构成。

当增大-侧的工作压力角时 .会减轩圆半径 .轮齿齿根厚度会增大.齿面的曲率半径也相应增大.齿面接触应力降低.同时提高齿轮啮合对的重合度.改善轮齿载荷分布。提高传动平稳性，降低振动和噪声。

2.2 非对称渐开线圆柱齿轮的缺点非对 称渐 开线 圆柱齿 轮在 设计 和制 造方 面 其复杂程度要高于传统的对称渐开线圆柱齿轮。而且 .随着工作压力角的增大 ，作用在齿轮的径 向载荷随之增大.这就使作用于轴以及轴承的载荷也相应增大表 1 非对称与对称渐开线斜齿圆柱齿轮参数Tab.1 Asymmetric and symmetric involute helical gear parameters3 齿轮对 ANSYS Workbench仿真分析运用有 限元软件 ANSYS W0rkbench模拟风 电齿轮箱的行星 轮/太阳轮啮合对 在短时间 内所承受 的载荷发生剧烈变化的工况 f例如风速突变或刹车等1。

同时计算它们的疲劳寿命 通过对传统的对称渐开线斜齿圆柱齿轮行星轮/太 阳轮啮合对模型进行有 限元仿真分析 .为进-步对非对称渐开线斜齿圆柱齿轮行星轮/太阳轮啮合对模型进行有限元分析提供对照参考表 2 齿轮材料的 S-N数据表Tab.2 The table S-N of gear material3.1 齿轮对应力分析l1定义材料属性 两组齿 轮对 的齿轮材料均采用默认的结构钢并设置它的弹性模量为210GPa，泊松 比为 0.3。

21导入模型 根据表 1中的各项参数在 Pro/E软件中分别建立对称、非对称渐开线斜齿圆柱齿轮行星轮太阳轮啮合对模型 f表中 为行星轮齿数，z 为太阳轮齿数1，并将它们导入 ANSYS Workbench。对于 比较复杂 的非对称渐开线斜齿 圆柱齿轮的建模方法，可参看文献 41中的方法。

31单元网格划分 在齿轮啮合对接触面进行细划 .可以计算结果更加准确 。

41施加负载与添加约束 本文主要分析风电齿轮对在受到突变力的作用下所发生的应力变化 .在主动轮-行星轮上施加数值为 1 200N.m的大转矩.同时对从动轮-太阳轮施加固定约束 .以模拟在受力的瞬间太阳轮相对于行星轮静止51计算结果分析 对称渐开线斜齿圆柱齿轮啮合对 的等效应力分布情况如 图 2 fa)，非对称渐开线斜齿圆柱齿轮啮合对的等效应力分布情况如图2(b1。

如图2所示.两组啮合齿轮对的等效应力变化主要发生在啮合接触线和齿根过渡曲线附近.其中对称渐开线斜齿圆柱齿轮的最大等效应力为 523.46MPa。

非对称渐开线斜齿圆柱齿轮过渡曲线的最大等效应力为 486.29MPa.相比对称渐开线斜齿圆柱齿轮下降了7.1% 最大等效应力均发生在太阳轮的齿根过渡曲线附近.过大的等效应力会导致轮齿断裂，这与现实齿轮对常见失效现象相符 从图 2中可以看出，过渡曲第5期 章宏文 等 对称渐JI：线斜齿圆柱齿轮应用于风电齿轮箱的可行性分析线将弯曲应力分布在- 个较大的曲线上.如果对过渡曲线进行优化没计，将可以有效地降低应力集中。避免轮齿过载失效 、fa)E对称 轮对- - .f(I，)埘称 轮 对图 2 啮合齿轮对等效应力分布图Fig.2 (；ear equivalent stress distribution diagram32 齿轮疲劳分析首先将 ANSYS Wc)rkbeneh计算得到的应力分析数据导入到 ANSYS.对其进 行后处理 分析。查看等效应力.找到其发生最大等效应力的位置节点 .非对称渐开线斜 圆柱 轮对最大等效应力节点位于图3(a1中接触而2O上的254号节点，对称渐开线斜齿圆柱齿轮对最大等效应力节点位于同 3 fb1巾接触面26上 的 264号 节点 .这两 个节点也 就是最 容易发生疲劳损坏的位置.所以选取这两个节点作为疲劳分析的位置 、(a)1t对称齿轮 对 (h)剥 物； 轮对图 3 啮合齿 轮对接触面示意图Fig.3 S(Ilematic diagram of gear conta(·t surface其次进行疲劳分析设置和定义材料的 S-N数据表 本研究疲劳分析在于分析齿轮对承受最大负载的安 全性 和最大循环 ] 作次数 .、材料的 S-N数据表如表 2所不 。

最后进行疲劳计算。计算结果显示 .对称渐开线斜齿圆柱齿轮啮合对在最大负载作用下能承受 1.5805E5次循 环使用 .循环 2E5次后 会 发生疲劳失效 ，疲劳耗损的系数为 1.2l394：非对称斜齿圆 柱 齿 轮 啮 合 对 在 最 大 负 载 作 用 下 能 承 受2.3123E5次循环使用 .大]此循环 2E5次后不会发生 失效 .疲劳 耗损系 数为 0.65323， l大J此 非 对称 渐开线斜齿轮相对于对称渐开线斜齿圆柱齿轮具有更好的使用寿命和可靠性 .更加符合风电齿轮对使用寿命的要求4 结论l1非对称渐开线斜齿圆柱齿 轮在性能上具备了非 对称渐开线直齿轮的大压力角 、高重合度的优点 。

从而具有的较高的赫兹接触强度和弯曲强度.同时又具备了对称渐开线斜齿圆柱齿轮的传动平稳 、噪声低以及承载能力强的特点21结合风电齿轮箱 的传动方式 .将 非对称渐开线斜齿圆柱齿轮应用到风电齿轮箱 .通过有限元分析软件，对行星轮/太阳轮啮合对进行仿真分析 .证明非对称渐开线斜齿轮圆柱齿轮比对称渐开线斜齿圆柱齿轮有更好赫兹接触强度和弯件i强度以及使用寿命 。

这样就很会很好的避免南于齿轮失效而影响整个齿轮箱的运行