基于ANSYS的试验台低速联接轴结构优化设计

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风电齿轮箱是位于风机轮毂和发电机之间用于传递机械能的关键传动部件，它的主要作用是将轮毂利用风能产生的机械动能传递给发电机产生电能。随着风电机组单机容量的增大，风电齿轮箱的额定功率以及低速端输人转矩也急剧增大，因此，风电齿轮箱是低速 、重载、增速的齿轮传递系统 。与-般的工业齿轮箱相比，其受无规律风力或强阵风作用，在冲击变载荷条件下工作，承受的动态载荷往往很高，因此，风力发电机组中对齿轮箱的可靠性和寿命要求十分严格。

出于对风电齿轮箱质量的严格要求，按照国家标准 GB/1、19073-2003中试验方法和检验规则 的运行试验要求，需要对风电齿轮箱进行空载试验、功率损耗测定、齿面接触疲劳寿命试验。为了保证齿轮箱试验数据的准确性，就必须严格控制齿轮箱试验台各部件的加工精度、结构强度及装配精度。本文从工程实践出发，分析了齿轮箱试验台中最容易失效的部件--低速连接轴的静态特性 ，并针对其结构进行优化 ，为其工程应用提供可靠的参考依据 。

1 风力发 电机组齿轮箱试验台的结构图 1为某兆瓦级风力发 电机组的齿轮箱试验 台。

兆瓦级风力发电机的齿轮箱试验台-般由被试风电齿轮箱、陪试风电齿轮箱、扭转传感器、驱动电机、加载电机、低速连接轴等部件组成。图 2为低速连接轴的结构图，其受到 由两对液压缸分别产生 的扭矩 M -2 580 kNm与弯矩 -4 200 kNm的作用。

2 结构优化及三维建模针对现有齿轮箱试验台低速连接轴在工作-段时间后发生局部开裂的情况，本文将对其结构进行优化，并对优化后的低速连接轴的结构强度进行有限元分析。在工程实际中，现有低速连接轴的开裂部位-般集中在三处，分别是环锻法兰焊缝处、大钢筒件开口处以及大钢 筒件 与中间腹板的连接处。针对这 三处开裂，分别做如下的结构优化：大钢筒件开口处增焊厚度为 3O mm 的圆筒 、增焊环形法兰以及减小腹板 宽度 。

优化后低速连接轴结构如图3所示。为了验证优化后的低速连接轴能满足工程实际的强度要求，需对其进行有限元分析。首先利用 SolidWorks2012建立优化后的低速连接轴的三维模型，在 SolidWorks2012中通过与 ANSYS Workbenchl4.0软件的接口将三维模型导人 ANSYS Workbenchl4.0中。

图 l 某兆瓦级风力发电机齿轮箱试验台连接轴的有限元模型如图 4所示，低速连接轴的材料选用 Q345钢，泊松比 -0.28，弹性模量 E-205GPa，密度p-7 850 kg/m3。齿轮箱使用-个税 250x750的圆柱实体示意，材料选用 30CrNiMo8，泊松 比-0.3，弹性模量E-206 GPa，密度10-7 860 kg/m。。

收稿 日期 ：2012-10-08；修回日期：2012-10-28作者简介 ：李洪添 (1985-)，男，广东中山人，助工，硕士，主要从事风力发电机组的结构设计工作。

· 76 · 机 械 工 程 与 自 动 化 2013年第 2期验证 了结构优化后的可靠性。

表 l 各 角度施加弯矩时应力分布及变形量的对 比弯矩与腹板夹角 最大等效应力 最大变形量e 安全因子(。) (MPa) (mm)0 145.58 O.837 O1 1.9810 15O.98 0.828 48 1902O 153.O9 0.838 92 1.8830 151.83 0.829 32 1.8940 152.6O 0.828 75 1.8950 150.52 0.828 48 I.9060 145.16 0.828 15 l98