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摘 要 风力发电齿轮箱具有结构复杂，箱体传动比大，刚性差的特点，在风力发电机组中，齿轮箱箱体的损坏发生率相对频繁一些，因此，对于风力发电齿轮想箱体进行有限元分析，探究其所具有的性能并对其进行优化具有非常重要的意义。本文通过ANSYS软件对风力发电齿轮箱箱体进行有限元分析，研究发电齿轮箱箱体的性能和强度，以及齿轮箱箱体的应力分布进行分析，以此为依据对风力发电齿轮箱箱体进行优化，提高箱体的性能，延长箱体的使用寿命。
关键词 风力发电；齿轮箱；箱体；有限元模型
中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）03-0064-01
风力能源已经成为全球各国重点研究的领域，风力发电技术的研究和应用引起全球的广泛关注。随着风力发电机组的规模不断扩大，大型风力发电机组应用的同时，对风力发电齿轮箱的可靠性也提出了更高的要求齿轮箱作为风力发电机组的重要的部件，既对风力发电机组的运行发挥着重要的作用，又是机组中损坏故障发生率相对较高的部件。因此，对齿轮箱箱体进行结构和性能的分析并对其进行优化，对于提高箱体寿命，保证齿轮箱箱体的可靠运行具有重要意义。本文通过ANSYS软件以1.5MW风力发电齿轮箱箱体为对象进行有限元分析，旨在提高风电齿轮箱箱体的强度，延长使用寿命，提供使用可靠性。
1 齿轮箱箱体有限元模型的建立
1.1 材料属性
本文研究的风力发电齿轮箱箱体材料为QT400-15，利用ANSYS软件，将弹性模量设置为1.4×1011Pa，设定泊松比为0.28。材料的密度为每立方米7300 kg，屈服极限位250MPa，同时设置1.4的安全系数。
1.2 实体模型的建立
在对风力发电齿轮箱箱体进行有限元分析的过程中，不仅要对箱体模型进行准确的描述，更要对计算效率进行充分的考虑。对于大型风电机组的齿轮箱箱体来说，普遍具有复杂的、不规则的结构特点，因此，需要首先对齿轮箱体进行恰当合理的简化和等效处理，从而建立起齿轮箱箱体的实体模型，为下面的有限元模型的建立打下基础。在建模结构简化的过程中，将不重要的倒角以及个别油孔、螺纹孔加以忽略，但是有两个倒角因为起着非常重要的支撑作用，对分析结果有一定的影响作用，特别是对应力集中方面有减小的作用，所以对其予以保留。经过多次的实践，最终得出实体模型如下图1（a）所示。
图1 风力发电齿轮箱箱体的实体模型及网格化有限元模型
1.3 有限元模型的建立
因为风力发电齿轮箱箱体具有一定的复杂性，因此对于复杂箱体的有限元分析多采用Solid92单元，此单元为四面体单元，有10个节点，并且每个节点都具有三个平移自由度，分别为X方向、Y方向以及Z方向。四面体单元是建立在三维线性四面体单元的基础之上的，属于高阶单元的一种，10节点四面体单元相较于4节点四面体单元来说更适宜在高精度模型中应用。
对于有限元模型分析计算的结果，其网格化划分的质量直接影响着结果计算的精确性。风力发电齿轮箱箱体模型多为大型的、复杂度高的结构，同时具有不规则的几何形状，因此，对于此类模型的网格化花费多采用自由网格的形式。但是网格的划分也要充分的考虑到箱体的受力，根据分析的需要对某些重点局部进行细化，这对于提高有限元精度是有利的。本文有限元模型建立的网格化划分采用6级，对箱体上的轴承孔进行细化处理，最终网格化的有限元模型如图1（b）所示。
2 载荷与约束分析
载荷与位移约束的正确性直接影响计算结果，对于风力发电齿轮箱箱体而言，外载荷由重力载荷、内齿圈的啮合力以及轴承载荷三部分组成。在本文对箱体有限元的分析中，轴向载荷等效为作用在轴承盖法兰面或轴承外圈挡圈上的均布压力。径向载荷等效为在120°范围内的余弦分布压力。
以轴承中心为原点建立坐标，X轴位径向力方向，Y轴方向与X轴垂直。以表示径向力，以B表示轴承座的宽度，以R表示轴承座的外径，轴承产生作用的范围为，且的范围在-60°与60°之间，则轴承座所承受的径向力分布载荷为：
（1）
从上面分析来看，风力发电齿轮箱箱体的应力分布受轴承载荷的方向以及大小的直接影响。另外风力发电齿轮箱具有一定的特殊性，在重力的作用下，如果仅对齿轮箱体的支撑轴承孔位置施加位移约束，箱体的变形量超过了允许的范围，同时呈悬臂弯曲曲线，不符合实际工况的要求，因此要对外部支承对箱体的影响作用加以重视。
3 刚度分析
本文通过对风电齿轮箱箱体变形云图和提取轴承座轴向中截面的位移随弧长的变化曲线来分析齿轮箱箱体的刚度。本文对有限元的研究分别设计了重力载荷单独作用、内齿圈轮齿啮合力单独作用、轴承载荷单独作用、全载荷作用共四种工况，并通过三种工况下的箱体变形云图来分析箱体刚度的影响因素。而其中轴承载荷是箱体在工作运行过程中重要的载荷，特别是箱体采用侧边支承的，其应力的分布受轴承载荷的方向和载荷大小的直接影响。同时轴承孔的变形量也直接影响齿轮啮合的好坏。本次分析首次通过提取轴承座轴向中截面的变形量来考察箱体刚度，而这在常规的解析算法中是无法实现的。在全载荷作用下，箱体应力的分布状态相似于轴承载荷作用，同时内齿圈载荷对应力分布的影响也不容忽视。
4 结论
本文利用ANSYS软件建立齿轮箱体有限元模型并对其进行有限元分析，对于风力发电齿轮箱而言，其整体盈利水平并不高，强度良好。其应力分布主要集中在前箱体支承轴承孔座、支承轴孔与箱体的联接部分、以及输出轴附近，重力引起的应力完全可以忽略。
参考文献
[1]黄智勇，陈伟.高速列车传动齿轮箱箱体强度分析和试验[J].机车车辆工艺，2014（1）.
[2]陈智芳.高速万向轴式动力转向架体悬齿轮箱的研究[J].机车车辆工艺，2012（4）.
关键词 风力发电；齿轮箱；箱体；有限元模型
中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）03-0064-01
风力能源已经成为全球各国重点研究的领域，风力发电技术的研究和应用引起全球的广泛关注。随着风力发电机组的规模不断扩大，大型风力发电机组应用的同时，对风力发电齿轮箱的可靠性也提出了更高的要求齿轮箱作为风力发电机组的重要的部件，既对风力发电机组的运行发挥着重要的作用，又是机组中损坏故障发生率相对较高的部件。因此，对齿轮箱箱体进行结构和性能的分析并对其进行优化，对于提高箱体寿命，保证齿轮箱箱体的可靠运行具有重要意义。本文通过ANSYS软件以1.5MW风力发电齿轮箱箱体为对象进行有限元分析，旨在提高风电齿轮箱箱体的强度，延长使用寿命，提供使用可靠性。
1 齿轮箱箱体有限元模型的建立
1.1 材料属性
本文研究的风力发电齿轮箱箱体材料为QT400-15，利用ANSYS软件，将弹性模量设置为1.4×1011Pa，设定泊松比为0.28。材料的密度为每立方米7300 kg，屈服极限位250MPa，同时设置1.4的安全系数。
1.2 实体模型的建立
在对风力发电齿轮箱箱体进行有限元分析的过程中，不仅要对箱体模型进行准确的描述，更要对计算效率进行充分的考虑。对于大型风电机组的齿轮箱箱体来说，普遍具有复杂的、不规则的结构特点，因此，需要首先对齿轮箱体进行恰当合理的简化和等效处理，从而建立起齿轮箱箱体的实体模型，为下面的有限元模型的建立打下基础。在建模结构简化的过程中，将不重要的倒角以及个别油孔、螺纹孔加以忽略，但是有两个倒角因为起着非常重要的支撑作用，对分析结果有一定的影响作用，特别是对应力集中方面有减小的作用，所以对其予以保留。经过多次的实践，最终得出实体模型如下图1（a）所示。
图1 风力发电齿轮箱箱体的实体模型及网格化有限元模型
1.3 有限元模型的建立
因为风力发电齿轮箱箱体具有一定的复杂性，因此对于复杂箱体的有限元分析多采用Solid92单元，此单元为四面体单元，有10个节点，并且每个节点都具有三个平移自由度，分别为X方向、Y方向以及Z方向。四面体单元是建立在三维线性四面体单元的基础之上的，属于高阶单元的一种，10节点四面体单元相较于4节点四面体单元来说更适宜在高精度模型中应用。
对于有限元模型分析计算的结果，其网格化划分的质量直接影响着结果计算的精确性。风力发电齿轮箱箱体模型多为大型的、复杂度高的结构，同时具有不规则的几何形状，因此，对于此类模型的网格化花费多采用自由网格的形式。但是网格的划分也要充分的考虑到箱体的受力，根据分析的需要对某些重点局部进行细化，这对于提高有限元精度是有利的。本文有限元模型建立的网格化划分采用6级，对箱体上的轴承孔进行细化处理，最终网格化的有限元模型如图1（b）所示。
2 载荷与约束分析
载荷与位移约束的正确性直接影响计算结果，对于风力发电齿轮箱箱体而言，外载荷由重力载荷、内齿圈的啮合力以及轴承载荷三部分组成。在本文对箱体有限元的分析中，轴向载荷等效为作用在轴承盖法兰面或轴承外圈挡圈上的均布压力。径向载荷等效为在120°范围内的余弦分布压力。
以轴承中心为原点建立坐标，X轴位径向力方向，Y轴方向与X轴垂直。以表示径向力，以B表示轴承座的宽度，以R表示轴承座的外径，轴承产生作用的范围为，且的范围在-60°与60°之间，则轴承座所承受的径向力分布载荷为：
（1）
从上面分析来看，风力发电齿轮箱箱体的应力分布受轴承载荷的方向以及大小的直接影响。另外风力发电齿轮箱具有一定的特殊性，在重力的作用下，如果仅对齿轮箱体的支撑轴承孔位置施加位移约束，箱体的变形量超过了允许的范围，同时呈悬臂弯曲曲线，不符合实际工况的要求，因此要对外部支承对箱体的影响作用加以重视。
3 刚度分析
本文通过对风电齿轮箱箱体变形云图和提取轴承座轴向中截面的位移随弧长的变化曲线来分析齿轮箱箱体的刚度。本文对有限元的研究分别设计了重力载荷单独作用、内齿圈轮齿啮合力单独作用、轴承载荷单独作用、全载荷作用共四种工况，并通过三种工况下的箱体变形云图来分析箱体刚度的影响因素。而其中轴承载荷是箱体在工作运行过程中重要的载荷，特别是箱体采用侧边支承的，其应力的分布受轴承载荷的方向和载荷大小的直接影响。同时轴承孔的变形量也直接影响齿轮啮合的好坏。本次分析首次通过提取轴承座轴向中截面的变形量来考察箱体刚度，而这在常规的解析算法中是无法实现的。在全载荷作用下，箱体应力的分布状态相似于轴承载荷作用，同时内齿圈载荷对应力分布的影响也不容忽视。
4 结论
本文利用ANSYS软件建立齿轮箱体有限元模型并对其进行有限元分析，对于风力发电齿轮箱而言，其整体盈利水平并不高，强度良好。其应力分布主要集中在前箱体支承轴承孔座、支承轴孔与箱体的联接部分、以及输出轴附近，重力引起的应力完全可以忽略。
参考文献
[1]黄智勇，陈伟.高速列车传动齿轮箱箱体强度分析和试验[J].机车车辆工艺，2014（1）.
[2]陈智芳.高速万向轴式动力转向架体悬齿轮箱的研究[J].机车车辆工艺，2012（4）.