用RoamxWind和FE-Safe软件对风电齿轮箱行星架分析

高宏兴，周红梅，洪雪波

（宁波东力股份有限公司，浙江 宁波 315033）

0 引言

齿轮箱疲劳寿命是关系到齿轮箱整体寿命的一个最重要的问题。疲劳强度直接影响整个风电齿轮箱的使用寿命，提前对齿轮箱这一关键零部件进行疲劳评估，可以有效预防齿轮箱发生疲劳失效。

1 RoamxWind 模型建立

为了能准确得到极限载荷在行星架上的力和力矩的分配，我们在RomaxWind12.6.3 中建立整个传动系统模型，导入主轴、行星架、扭力臂、箱体的有限元模型，并考虑齿轮箱弹性支撑刚度，如图1 所示。通过RoamxWind 的计算分析，得到行星架上各处的受力情况和边界条件，可以导出为ANSYS 的*.CDB 格式文件。

图1 传动系统模型

2 提取载荷

疲劳计算需要静态计算结果，为了计算的准确性，同样采用RomaxWind12.6.3、ANSYS12.1 来分析。疲劳损伤由FE-safe 计算。计算中读入FE-safe 中进行计算的应力张量，主要分为：模型在六自由度载荷下的应力张量和由收缩盘引起的应力张量两部分。

2.1 六自由度载荷下的应力张量

设定六种载荷工况FX1、FY1、FZ1、MX1、MY1、MZ1，每种工况只施加一种载荷，如表1。

表1 载荷工况

图2 ANSYS 求解得到6 种工况结果

在RomaxWind 中完成载荷定义后计算，导出六种工况的*.CDB 格式文件。在ANSYS 中进行求解引出的*.CDB 文件，分别得到6 种工况的结果文件。

2.2 收缩盘引起的应力张量

根据主轴与行星架配合建模得到行星架的压力结果如图3 所示。

图3 由收缩盘引起的应力

3 疲劳分析

3.1 确定载荷历程

由于在有限元计算中，已经求得了七种工况下单一载荷的结果文件。依据原理是线形静态理论［1］，得到单位载荷。收缩盘的压力在运行中是不变的，所以结果不变，在载荷曲线中设为1。用载荷历程数据乘以单位载荷，得到每个载荷的历程数据。图4 显示了一个工况的10 min载荷曲线的例子。

图4 一种工况下10 min 载荷曲线

3.2 确定循环次数

每个工况的循环次数统计如表2所示。

表2 工况循环次数统一

3.3 确定材料属性

行星架材料为G18CrNiMo7 -6，并引入厚度修正材料强度。弹性模量为1.78×105MPa，屈服强度为630 MPa，极限强度为850 MPa，密度为7 800 kg/m3，泊松比为0.3。

在FE-safe 中输入抗拉强度、弹性模量、泊松比后生成G18CrNiMo7-6 材料来产生所需要的S-N 曲线，系统根据材料类型自动选择平均应力修正准则。

3.4 其它影响因素

光洁度影响：依据设计模型图纸，计算中采用的粗糙度范围为Ra1.6～Ra4.0。该粗糙度范围在FE-SAFE 软件中进行指定。由于采用铸钢，只有部分加工面加工，其余部分不加工，根据下图，得到kt=1.165，这样设定的kt对于加工面是保守的。

图5 FE-SAFE 软件中粗糙度影响分析

3.5 计算结果

风电齿轮箱行星架的设计寿命要求为20 a。

图6 寿命分析示意图

由图6 可以看出整个行星架寿命（循环次数）的对数值最小为1.887，出现在行星架前部与主轴连接处，疲劳寿命N=101.887×20=1 542 a，满足运行寿命要求。

4 结论

利用RomaxWind 软件和FE-safe 软件组合使用，完成风电齿轮箱行星架的疲劳寿命分析，得出了风电齿轮箱行星架的疲劳强度。利用RomaxWind 软件可以方便准确得到齿轮箱载荷数据，该数据考虑了齿轮箱各零部件的变形情况和载荷不均匀分布。该疲劳强度分析结果具有很高的准确率，具有实际应用价值。

［1］姚卫星.结构疲劳寿命分析［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［2］BS EN 10340-2007 Steel castings for structural uses［S］.