基于ANSYS的增速齿轮箱两级定轴斜齿轮有限元分析

张耀丹

摘 要：文章以两级平行轴加一级行星结构的增速齿轮箱为研究对象，通过SOLIDWORKS进行三维建模，对两级定轴斜齿轮进行受力分析，计算圆周力和齿面法力，以及最恶加载面的载荷，最后通过ANSYS进行有限元分析，对高速小齿轮2和4进行有限元分析，验证了齿轮强度符合设计要求。

关键词：增速箱;两级定轴斜齿轮;ANSYS有限元分析

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）06-84-03

Abstract： This paper takes the increasing gear box with a one-stage planet and a two-stage parallel shaft structure as the research object.Carry out 3d modeling through SOLIDWORKS. The force analysis of two-stage fixed-shaft helical gear was carried out to calculate the circumference force， the normal force of tooth surface and the load of the worst loading surface. Finally， the finite element analysis was conducted through ANSYS. The finite element analysis of high speed pinion gear 2 and 4 verifies that the gear strength meets the design requirements.

Keywords： Increasing gear box; Two stage fixed shaft helical gear; ANSYS

CLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）06-84-03

引言

齿轮增速箱是风力发电设备的重要组成部分，齿轮箱损坏导致风电机组故障是世界性问题[1-5]。本文将以一种增速齿轮箱为研究对象，应用ANSYS软件两级定轴传动部分的高速小齿轮2和4进行有限元分析，对相关齿轮的弯曲疲劳强度进行分析校核，从而验证齿轮强度符合设计要求。

1 设计建模

本文将以某种增速齿轮箱为例，该齿轮箱传动系统采用两级定轴斜齿轮传动和一级行星齿轮传动，其传动结构简图如图1所示[6]。

通过SOLIDWORKS建模，应用ANSYS对两级定轴斜齿轮中的高速小齿轮2和4进行有限元分析。啮合过程中的同一时间点，相互啮合齿轮受载的轮齿数由重合度决定。齿轮的材料为合金钢，材料属性弹性模量E为210GPa，泊松比μ为0.27[6]。

设计参数如表1所示，其他参数：风力发电机组的额定功率为1.5MW，转子直径70m，设计风速13m/s，叶尖速比4.17，风密度1.21kg/m3，风能利用系数0.29，寿命15年，总传动比为95，齿轮精度等级6，内齿轮材料为40CrMo，调质;其余材料为17CrNiMo6，渗碳淬火。

2 斜齿轮2的有限元分析

2.1 有限元模型与最恶加载线的确定

由于斜齿轮轮齿在啮合过程中是逐步进入和逐步脱离的，因此其总的接触线长度是随着啮合点的变化而不断改变的。对于单个轮齿，最恶加载线的位置就决定了齿根的最大应力。最恶加载线的位置取决于轮齿的啮合位置和接触线上的载荷分布，接触线上的载荷分布与轮齿的制造误差、装配误差、齿轮变形等诸多因素有关，而这些因素往往是不易确定的，因此，将载荷分布简化为沿啮合线均匀分布，最恶加载线位置取决于啮合位置[7]。根据文献[8]确定最恶加载线，本文把接触线扩展为一条很窄的接触带，把力转换成表面载荷施加在接触带上。因此，齿轮2的三维模型与最恶加载线如图2所示。

4 结论

本文通过SOLIDWORKS建模，计算施加载荷并确定施加位置，随后导入ANSYS进行有限元分析。分析结果显示，两级定轴部分的小斜齿轮齿根弯曲应力均小于许用值，验证了齿轮强度满足设计要求，整个传动系统是安全可靠的。

参考文献

[1] Facing up to the Gearbox Challenge：A survey of gearbox failure and collected industry Knowledge[J].Wind power Monthly， 2005， 21， （11）.

[2] J.Antoni and R.B.Randall.Differential diagnosis of gear and bearing faults[J].Journal of Vibration and Acoustics-Transactions of the Asme， 2002，124（2）：165-171.

[3] Summary of Wind turbine Accident data to 31 December 2008 [EB/OL].Caithness Wind farm Information Forum 2008.

[4] Joanna Lewis，Ryan Wiser.促進风电产业发展国际经验报告.2005， 11.

[5] 姚小芹.风电齿轮箱失效.北京：北京鉴衡认证中心，2008-12-12.

[6] 兰菲等.基于ANSYS的2K-H行星轮系轮齿弯曲疲劳强度分析[J].煤矿机械，2016，10：101-104.

[7] 于华波，高齐帅，柳东威.基于ANSYS的渐开线斜齿轮的齿根应力分析[J].机械设计与制造，2009，1：84-86.

[8] 顾守丰，连小珉，丁能根等.斜齿轮弯曲强度三维有限元分析模型的建立及其程序实现[J].机械科学与技术，1996，3（2），167-171.