某风力发电机齿轮箱行星架的有限元分析

任文彬，王碧石

大庆油田装备制造集团销售公司，黑龙江大庆 163311

0 引言

风力发电的过程就是将风能转化为电能的过程。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过增速器齿轮副的增速作用来实现，而行星齿轮增速箱（文中简称为齿轮箱）是最为常见的一种。

行星架是齿轮箱中的关键零部件，工作时承受较大的随机扭转载荷。行星架一旦失效，会导致整个齿轮箱的失效、风力发电机停机，所以要在设计阶段确保行星架不发生破坏

本文将运用有限元分析软件ANSYS-WORKBENCH(AWB)对行星架进行线性静力结构分析，证实该行星架符合风电的相关规定。

1 行星架有限元模型的建立

AWE的实体建模功能，比ANSYS有所提高，但相对于专业CAD软件，还是有所欠缺。而AWE可以通过IGES格式导入由各个CAD软件所作的实体模型，而且对于主流的CAD软件还集成有专门的插件，避免了以往通过IGES格式导入数据而造成的单元丢失等问题，保证了最好的CAE结果。

1.1 三维模型的建立

图1 行星架的三维实体模型

根据厂家提供的图纸，采用三维CAD软件Solidworks，建立了行星架的三维实体模型，如图1所示。

将行星架的三维图导入到AWB中，在“Engineering Data”菜单下输入行星架的的材料参数，以便建立行星架的有限元模型。本文中，行星架采用QT700-2，查找文献1可知QT700-2的抗拉强度为700MPa，屈服强度为420 MPa，密度为7 300kg/m3，弹性模量为1.55GP，泊松比为0.27。

1.2 网格划分

网格的质量对分析的结果有重要的影响，网格划分越细，结点越多，计算结果越精确，不过网格加密到一定程度后计算的精度的提高就不明显了，而且越密集的网格就意味着需要花费更多的计算时间。所以网格划分的原则是：对零件受力处和应力梯度变化明显处（如应力集中处）细化网格，对应力、变形变化平缓的区域不必细化网格。

AWB软件中，默认利用10节点的四面体单元和20节点的六面体单元划分单元。由于该行星架的尺寸较大，不宜选用过细的网格划分，所以对其采用AWB默认的网格划分，并在扭矩输入的部分1（见图1），可能发生应力集中的圆角过度处和与轴承配合的部分2、3上细化网格。网格划分的结果共有77367个单元，126389个节点。

2 受力与约束

在工作过程中，行星架中的部分1与胀紧套相配合，并将胀紧套传递来的工作扭矩传至行星轮系。在行星架的工作过程中，行星架所受的载荷有三个来源：自身产生的重力、胀紧套给予的预紧力和由叶轮方向输入的工作扭矩。所以在行星架的线性静力结构分析过程中，应该考虑这三种载荷的共同作用。

由于部分1的结构较为简单，所以将转矩转化为三个大小相等，成逆时针分布的三个力，施加在与太阳轮配合的三对孔上。胀紧套的预紧力以Press（压力）的形式施加在部分1上。重力则以标准的地球重力加速度施加在整个系统中。

在约束方面，由于部分1的结构较为简单且应力集中较小，故将其设为Fixed Support（固定约束），约束全部六个自由度；部分2、3是与轴承配合的部分，故施加Cylindrical Support(圆柱面约束)，约束5个自由度，仅允许切向旋转。

具体的受力与约束情况如图2所示。

图2 行星架的受力和约束

3 静力学分析结果

线性静力结构分析可得到多种不同结果：各个方向和全部的变形，应力应变分量，主应力应变或者应力应变不变量，支反力等。本文主要要得到行星架的应力与变形的相关结果。

行星架的应力云图如图3所示，等效应力（von-Mises）的范围为0MPa ～191MPa，最大应力出现在既处于过度圆角上，又靠近行星架与行星轮相连接的位置，该位置产生了较大的应力集中，符合力学原理。行星架的最大应力远小于QT700-2的许用应力，符合设计要求。

行星架主要的变形是因扭转产生的，所以这里采用柱坐标系，观察零件在Y轴方向上的旋转位移。柱坐标系和变形云图如图4所示，最大变形为-0.605mm（即零件在逆时针方向旋转了0.605mm），出现在最外圈。根据公式1，算出扭转角φ等于0065°，小于许用的0.292°（文献2中规定），证明了行星架的变形量符合设计要求。

r表示半径，s表示位移，φ表示扭转角

图3 行星架的应力云图

图4 行星架的位移云图

4 结论

本文通过有限元法对风力发电机齿轮箱的行星架进行了静力学分析。通过静力学分析可以了解行星架的应力和变形情况，证明该行星架的设计符合相关标准的要求。本文的结论有助于对行星架的结构进行进一步优化，本文的方法也可以用于其它产品的开发阶段，有利于提高产品设计的一次通过率，降低研发成本和缩短研发周期。

[1]科标工作室.国内外金属材料手册[M].南京：江苏科技出版社，2005.

[2]中国船级社.风力发电机组规范[M].北京：人民交通出版社，2003.