一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法与流程

1.本发明涉及一种风力发电机组主齿轮箱关键零件的强度计算方法，特别是涉及一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，主要用于水平轴双馈或半直驱型风力发电机组。


背景技术：

2.目前主流的大功率水平轴半直驱或双馈风力发电机组中，风载荷通过叶片和变桨轴承传递到轮毂，轮毂通过主轴、增速齿轮箱传递到发电机进行发电。增速齿轮箱是风机中的关键部件之一，在设计过程中为确保风机的安全和使用寿命，根据iec及gb规范必须对其强度进行计算。国内风电行业依据国标gb/t19073《风力发电机组齿轮箱设计要求》的规定，并按gb/t 3480规定的方法进行。齿轮强度计算采用赫兹公式，齿面接触应力计算以两圆柱体接触的接触应力公式为基础，并结合齿轮的参数导出。经典的赫兹接触理论虽能计算出轮齿载荷作用下的齿面接触压力，但需要通过对原始赫兹公式推导变形和系数修正来获得。通过添加修正系数来考虑不同因素对齿轮强度计算的影响，修正系数大多通过经验公式或实验结果归纳来确定，具有一定的近似性，很多齿轮强度设计是通过简单的“结构类比”完成的。而齿轮实际啮合状态远比赫兹公式的假设条件复杂，例如受齿廓表面渐开线曲率半径变化、啮合刚度、边界效应的影响，受载荷沿齿面接触线非均布的影响等。这些修正使得齿轮标准中相关接触强度的计算过程过于简单化了，影响了计算结果的可靠性。随着风电齿轮向着高速、重载和轻量化方向发展，对齿轮的承载能力提出了更高的要求，为了更精确地计算出轮齿受力，有必要重新研究齿轮强度计算方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对传统齿轮强度分析计算方法中的不足，提出一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，此方法更为简单，计算效率更高，计算精度更准确。
4.为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
5.一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，包括以下步骤：
6.1)按照齿轮实际啮合物理状态，选取齿轮啮合接触分析模型；
7.2)按照啮合齿轮实际的结构尺寸，设置边界约束条件；
8.3)定义啮合齿轮的材料及材料属性；
9.4)定义齿轮啮合接触类型；
10.5)根据轮齿啮合位置，定义接触的目标面和接触面，定义接触摩擦系数；
11.6)对啮合齿轮几何模型进行网格划分；
12.7)求解啮合齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力，比较齿面接触应力和齿根弯曲应力的安全系数，若安全系数大于行业标准要求，则啮合齿轮接触强度符合标准要求。
13.本发明进一步的改进在于，所述的步骤1)中，依据齿轮实际啮合物理状态，不选取整个齿轮的所有轮齿进行计算，而是只选取参与啮合的三对齿进行啮合接触分析，建立啮
合齿轮的分析模型。
14.本发明进一步的改进在于，所述的步骤2)的具体实现方法如下：
15.201)边界约束离载荷施加位置具有设定的距离，轴向非齿廓边界约束位置大于等于9倍模数，径向方向约束位置距齿根最低点大于等于1.5倍模数，设置边界约束条件；
16.202)设置小齿轮即从动轮的齿轮轴内孔表面以及轮辐边界为全约束；
17.203)设置大齿轮的齿轮轴内孔表面径向及轴向自由度约束为零，设置沿切线方向允许有旋转自由度；
18.204)将转矩等效变换为大齿轮轴内孔表面的切向力进行施加，f＝t/r，其中t为主动轮传递的扭矩，r为主动轮轴内孔表面到其旋转中心的距离。
19.本发明进一步的改进在于，所述的步骤3)中，所述的材料为啮合齿轮的组成材料，所述的材料属性是指材料的齿面硬度，许用弯曲应力，许用接触应力，材料密度，弹性模量，以及泊松比。
20.本发明进一步的改进在于，所述的步骤4)中，定义齿轮啮合接触类型，假定啮合齿轮两接触体为变形体，采用柔体-柔体接触类型。
21.本发明进一步的改进在于，所述的步骤5)的具体实现方法如下：
22.501)依据轮齿啮合位置可能发生的接触，定义目标面和接触面，定义刚度较大的大齿轮表面为目标面，定义刚度较小的小齿轮表面的齿面为接触面；
23.502)依据齿轮传动的真实力学状态，定义接触摩擦系数，定义啮合面法线可分离且不渗透，定义切线可滑动且有摩擦力。
24.本发明进一步的改进在于，所述的步骤6)的具体实现方法如下：
25.601)采用高阶10节点四面体结构单元，该单元每个节点有沿着x，y，z方向的平移自由度，具有二次位移模式，能够模拟不规则的形状，并且支持大变形和大应变；
26.602)在齿根过渡区和接触线附近设置网格加密，对啮合齿轮几何模型进行网格划分。
27.本发明进一步的改进在于，所述的步骤7)的具体实现方法如下：
28.701)设置求解器以及求解器参数；
29.702)求解啮合齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力，比较齿面接触应力和齿根弯曲应力的安全系数，若安全系数大于行业标准要求，则啮合齿轮接触强度符合标准要求。
30.本发明至少具有如下有益的技术效果：
31.本发明提供的一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法。在有限元模型中考虑了齿轮啮合的相对运动状态，规定了边界约束位置与载荷施加位置的距离要求，让模型的受力传递更加准确，模型计算结果的准确性提高。依据齿轮实际啮合物理状态，对齿轮计算模型做相应的简化，只选取参与啮合的三对齿进行有限元分析，减少占用计算机硬件资源并缩短仿真时间，提高了计算的效率。依据轮齿啮合位置可能发生的接触，采用柔体-柔体接触类型，假定两接触体均为变形体，定义目标单元和接触单元。依据齿轮传动的真实力学状态，定义接触类型，定义接触摩擦系数，定义啮合面法线与切线的运动关系，在齿根过渡区和接触线附近细化网格，根据有限元分析中所获得的接触应力与等效应力，结合材料的许用应力，计算出零部件的强度分析结果。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为齿轮传动三维模型示意图；
34.图2为截取的齿轮分析模型示意图；
35.图3为啮合齿轮有限元网格划分示意图；
36.图4为啮合齿轮接触压力分布图示意图；
37.图5为小齿轮齿根弯曲应力云图示意图；
38.图6为大齿轮齿根弯曲应力云图示意图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
40.通过附图可以看出本发明涉及一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，主要用于半直驱及双馈风力发电机组增速齿轮箱啮合齿轮的强度计算，通过现有的有限元软件为平台实施建模，对齿轮计算模型作相应简化，定义齿轮的材料属性，定义接触类型及啮合相对运动状态，划分网格并定义接触单元，在齿根过渡区和接触线附近细化网格划分，施加载荷，施加边界约束条件，仿真计算及结果分析。
41.实施例一
42.一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，以某2mw风电增速齿轮箱高速级齿轮为例，模数为7，额定功率2225kw，大齿轮(主动轮)扭矩61505nm。由于斜齿轮的总啮合长度随着啮合点的变化而改变，按照最大应力工况原则，应选择总啮合线长度最短、单位载荷最大的位置进行接触应力的有限元分析，据此创建的啮合齿轮三维实体模型如图1所示。模型截取及材料定义，对齿轮计算模型做相应简化，只选取参与啮合的三对齿进行有限元分析，根据弹性力学原理，边界约束必须离载荷施加位置有一定的距离。截取横向宽10倍模数，纵深方向距齿根2倍模数，平行于轴线截取模型如图2所示。依据设计输入，齿轮材料许用弯曲应力为860mpa，许用接触应力为1500mpa，弹性模量为2
×
105mpa，泊松比为0.3。接触对定义及网格划分，依据轮齿啮合位置可能发生的接触，采用柔体-柔体接触类型，假定两接触体均为变形体，定义目标单元和接触单元。由于齿轮啮合中有相互滑动，故定义接触类型为frictional，摩擦系数为0.1，啮合面法线可分离，不渗透，切线可滑动，有摩擦力，符合齿轮传动的真实力学状态。根据齿轮啮合性质，在齿根过渡区和接触线附近细化网格。采用高阶10节点四面体结构单元solid187，通过对齿轮网格划分的控制，并且在接触面进行了细化，网格划分模型如图3所示。施加载荷及边界约束条件，斜齿轮在啮合传动过程中，主动齿轮受到外加转矩而以一定转速转动，驱动从动齿轮转动，两齿轮通过齿面接触传递扭矩。对于风电增速齿轮箱，大齿轮为主动轮，小齿轮为从动轮。在任一瞬间，可将齿轮的啮
合传动看做准静态过程，从动轮远离轮齿的部分还未感受到主动轮对它的带动作用，是固定不动的，位移可看作是零，所以小齿轮的齿轮轴内孔表面上的节点以及轮辐边界为全约束(fixed support)。主动齿轮只能作绕齿轮轴线的旋转运动，故将大齿轮的齿轮轴内孔表面径向及轴向自由度约束为零，只保留沿切线的旋转自由度(cylindrical support)。并将转矩等效变换为大齿轮轴内孔表面的切向力进行施加(force)。转化公式：
[0043][0044]
其中t为主动轮传递的扭矩，r为主动轮轴内孔表面到其旋转中心的距离。
[0045]
根据有限元分析中所获得的接触应力与等效应力，结合材料的许用应力，计算出零部件的强度分析结果。斜齿轮接触压力如图4所示，最大接触压力为1193.9mpa，由于轮齿边缘的接触造成了轮齿之间的剪切作用，使得在大、小齿轮的齿边缘处都出现了应力集中想象，接触压力出现大值。沿齿廓方向，接触线附近的接触应力最大，往两侧逐渐减小，到赫兹半宽位置基本上减小到零。小齿轮齿根弯曲应力如图5所示，大齿轮的齿根弯曲应力如图6所示。从大、小齿轮的等效应力云图可以看出，齿根处也产生了一定的应力集中。通过对照齿根应力云图和齿面接触应力云图可以看出，沿齿宽方向分布的齿根应力值随着接触应力值的增大而增大。在各个齿上，最大齿根应力均对应于接触应力集中位置附近，这符合斜齿轮啮合的基本特点。大、小齿轮材料相同接触应力在两相互啮合齿轮的齿面上大小相同，而对于每对接触齿来说，小齿轮的齿根应力均大于大齿轮的齿根应力，具体分析结果如表1所示。
[0046]
表1齿根弯曲应力、齿面接触应力值
[0047]
分析项计算应力(mpa)许用应力(mpa)安全系数齿面接触应力σf1193.915001.26大齿轮齿根弯曲应力σ
h1
381.088602.26小齿轮齿根弯曲应力σ
h2
575.738601.49
[0048]
依据国内风电行业标准gb/t 19073的规定，轮齿齿根和齿面的最大静应力应不超过轮齿的强度极限值。表面接触静强度安全系数sh≧1.0；齿根断裂静强度安全系数sh≧1.4。可见，该齿轮箱高速级啮合斜齿轮的强度校核符合设计标准要求。
[0049]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)按照齿轮实际啮合物理状态，选取齿轮啮合接触分析模型；2)按照啮合齿轮实际的结构尺寸，设置边界约束条件；3)定义啮合齿轮的材料及材料属性；4)定义齿轮啮合接触类型；5)根据轮齿啮合位置，定义接触的目标面和接触面，定义接触摩擦系数；6)对啮合齿轮几何模型进行网格划分；7)求解啮合齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力，比较齿面接触应力和齿根弯曲应力的安全系数，若安全系数大于行业标准要求，则啮合齿轮接触强度符合标准要求。2.根据权利要求1所述的一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，其特征在于，所述的步骤1)中，依据齿轮实际啮合物理状态，不选取整个齿轮的所有轮齿进行计算，而是只选取参与啮合的三对齿进行啮合接触分析，建立啮合齿轮的分析模型。3.根据权利要求1所述的一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，其特征在于，所述的步骤2)的具体实现方法如下：201)边界约束离载荷施加位置具有设定的距离，轴向非齿廓边界约束位置大于等于9倍模数，径向方向约束位置距齿根最低点大于等于1.5倍模数，设置边界约束条件；202)设置小齿轮即从动轮的齿轮轴内孔表面以及轮辐边界为全约束；203)设置大齿轮的齿轮轴内孔表面径向及轴向自由度约束为零，设置沿切线方向允许有旋转自由度；204)将转矩等效变换为大齿轮轴内孔表面的切向力进行施加，f＝t/r，其中t为主动轮传递的扭矩，r为主动轮轴内孔表面到其旋转中心的距离。4.根据权利要求1所述的一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，其特征在于，所述的步骤3)中，所述的材料为啮合齿轮的组成材料，所述的材料属性是指材料的齿面硬度，许用弯曲应力，许用接触应力，材料密度，弹性模量，以及泊松比。5.根据权利要求1所述的一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，其特征在于，所述的步骤4)中，定义齿轮啮合接触类型，假定啮合齿轮两接触体为变形体，采用柔体-柔体接触类型。6.根据权利要求1所述的一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，其特征在于，所述的步骤5)的具体实现方法如下：501)依据轮齿啮合位置可能发生的接触，定义目标面和接触面，定义刚度较大的大齿轮表面为目标面，定义刚度较小的小齿轮表面的齿面为接触面；502)依据齿轮传动的真实力学状态，定义接触摩擦系数，定义啮合面法线可分离且不渗透，定义切线可滑动且有摩擦力。7.根据权利要求1所述的一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，其特征在于，所述的步骤6)的具体实现方法如下：601)采用高阶10节点四面体结构单元，该单元每个节点有沿着x，y，z方向的平移自由度，具有二次位移模式，能够模拟不规则的形状，并且支持大变形和大应变；602)在齿根过渡区和接触线附近设置网格加密，对啮合齿轮几何模型进行网格划分。8.根据权利要求1所述的一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，其特征
在于，所述的步骤7)的具体实现方法如下：701)设置求解器以及求解器参数；702)求解啮合齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力，比较齿面接触应力和齿根弯曲应力的安全系数，若安全系数大于行业标准要求，则啮合齿轮接触强度符合标准要求。

技术总结
本发明公开了一种基于有限元的风电机组齿轮啮合接触分析方法，包括：1)按照齿轮实际啮合物理状态，选取齿轮啮合接触分析模型；2)按照啮合齿轮实际的结构尺寸，设置边界约束条件；3)定义啮合齿轮的材料及材料属性；4)定义齿轮啮合接触类型；5)根据轮齿啮合位置，定义接触的目标面和接触面，定义接触摩擦系数；6)对啮合齿轮几何模型进行网格划分；7)求解啮合齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力，比较齿面接触应力和齿根弯曲应力的安全系数，若安全系数大于行业标准要求，则啮合齿轮接触强度符合标准要求。本发明方法具有更为简单，计算效率更高，计算精度更准确的优点。计算精度更准确的优点。计算精度更准确的优点。


技术研发人员：雷航 林建冬 李玉章 刘河生 景玮钰
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/7