基于ANSYS的试验台低速联接轴结构优化设计

李洪添

（广东明阳风电产业集团有限公司，广东 中山 528400）

0 引言

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入转矩也急剧增大，因此，风电齿轮箱是低速、重载、增速的齿轮传递系统。与一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／T19073－2003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一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Mx＝2 580kNm 与弯矩Mz＝4 200kNm 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一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一般集中在三处，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30mm 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 Workbench14.0 软件的接口将三维模型导入ANSYS Workbench14.0中。

图1 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μ＝0.28，弹性模量E＝205 GPa，密度ρ＝7 850kg／m3。齿轮箱使用一个Φ2 250×750的圆柱实体示意，材料选用30CrNiMo8，泊松比μ＝0.3，弹性模量E＝206GPa，密度ρ＝7 860kg／m3。整个模型的节点数为127 239个，单元数为49 753个。低速连接轴采用四面体划分网格法——Patch Conforming法，生成Solid187四面体单元；齿轮箱（示意）采用自动划分网格法——Automatic法，通过扫掠的方式生成Solid186六面体单元；低速连接轴与齿轮箱（示意）的接触面定义为Bonded（绑定接触）。

图2 低速连接轴结构图

图3 优化后的低速连接轴结构图

图4 连接轴的有限元模型

3 有限元分析

图5 边界条件

图6 等效应力

4 各工况的模型应力分析

在上述的分析中，为了便于施加载荷，建立了一个局部坐标系，原点在模型的中心，y 轴沿低速连接轴中的一根腹板，z轴沿轴向。在实际工作中，随着低速连接轴的转动，液压缸对其施加的弯矩的方向也会不断发生变化，为了更全面地校核模型的强度，现对各角度施加弯矩时的应力情况及变形情况做出对比，主要分析弯矩与腹板呈10°、20°、30°、40°、50°、60°时的情况，分析得到的应力与变形量见表1。通过上述计算，比较各工况的最大应力，根据安全裕度因子公式算得各工况的安全因子均大于1，所以模型基本安全可靠，验证了模型优化后的正确性。

5 结束语

本文针对风电齿轮箱试验台的关键零部件——低速连接轴在实际试验中发生多处开裂的实际情况，首先对其结构进行优化设计，同时通过ANSYS Workbench对优化后的结构进行各个工况下的应力分析，验证了结构优化后的可靠性。

表1 各角度施加弯矩时应力分布及变形量的对比

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