风力发电机组偏航变桨齿轮箱体轻量化设计

李效龙，郝 莉

（1.南京高精齿轮集团有限公司，江苏 南京 210000；2.中科南京移动通信与计算创新研究院，江苏 南京 210000）

1 前言

偏航变桨齿轮箱是风力发电机组的关键部件，主要由电机、输入部装、多级行星部装和输出部装组成，其中箱体是齿轮箱的核心部件，起到支撑和连接作用，受载较多。然而目前偏航变桨齿轮箱箱体的设计强度和刚度整体富裕，结构笨重，成本较高。自从2020 年风火同价政策的提出，整个风电行业全面进入了降价潮，并逐步向平价时代推进，偏航变桨齿轮箱箱体的结构严重不符合行业发展要求，急需结构优化设计。

国外对齿轮箱进行结构优化的研究开始较早。早在1854 年，Maxwell 就提出并定义了优化设计方法，并将此优化方法应用到实际的结构设计中。1964 年，Dorn W S，Gomory R E 等人又提出用数值方法解决结构优化算法的计算问题，具有划时代的意义。2000 年，李树吉等针对风电齿轮箱建立优化数学模型，使用SUMT 内点法为优化算法，将质量最小设置为优化目标，将结构强度设置为约束条件，进行优化，并编写了数学计算程序。2008 年，孙黎等人使用软件ANSYS 中的Workbench 模块对风力发电齿轮箱进行有限元分析和结构优化。同年，李杰、王乐勤等人基于风电齿轮箱箱体的真实工况，建立有限元真实边界模型，并进行分析。自此，国内对齿轮箱箱体的结构优化设计也进入了深入研究的阶段，特别是拓扑优化的结构优化方案，吸引了众多研发人员的广泛研究兴趣。

2 箱体静强度分析计算

箱体作为偏航变桨齿轮箱中的大型复杂零件，其强度和刚度如何对箱体内齿轮传动系统的正常运行起着重要作用；另外，作为齿轮箱的重要组成部分，箱体的重量占整个齿轮箱总重的百分比较大，对齿轮箱成本有较大影响；同时，在齿轮箱运行过程中，作为主要的承力部件，其承载能力对整个齿轮箱的正常稳定工作也有着重要的影响。

2.1 有限元分析模型

基于分析计算结果接近真实工况和分析计算效率考虑，将轴承的外圈与箱体装配起来进行分析。箱体材料选用EN-GJS400-18-AL，其他构件材料选用锻钢，综合材料参数如表1 所示。

表1 材料参数

基于偏航变桨齿轮箱箱体的结构特性，对装配模型进行网格划分，并绑定设置，其接触模型如图1 所示。

图1 箱体与轴承接触模型

在箱体法兰处设置固定约束，在两个轴承处设置轴向力和径向力，并在箱体与齿圈连接的面处设置极限扭矩，具体载荷如表2 所示。

表2 载荷参数

2.2 有限元分析结果

对有限元分析模型进行强度计算，计算结果如图2 和图3 所示。根据IEC61400 规范要求及计算结果可知，箱体最大等效应力为234.3MPa，略大于218MPa 的许用应力，绝大部分等效应力均小于许用应力；最大变形是0.277mm，符合设计要求，可以对箱体进行减重优化。

图2 静载荷分析等效应力云图

图3 静载荷分析变形云图

3 箱体拓扑优化分析

拓扑优化是结构优化的一个重要分支，即在保证产品性能合格的前提下，在特定的区域内寻求材料的最优分布，结构最优，重量最轻。结构优化有三要素，即设计变量、约束函数和目标函数。优化过程即使得设计变量在约束函数的约束下，达到目标函数的最佳值。

3.1 拓扑优化模型及优化区域设置

本文以箱体的柔度最小为目标，以材料密度为设计变量，箱体的质量分数为约束条件建立拓扑优化数学模型。对箱体的设计区域进行选择，考虑到箱体连接面、螺栓孔、销孔以及轴承安装面有安装要求，将这些区域设置为不可优化区，其他区域设置为优化区，具体设置如下图4所示。

图4 优化区域设置

3.2 拓扑优化结果

经过workbench 计算，筋板、靠近法兰连接等区域的材料较富裕，该区域的材料可以去除；其他区域对箱体刚度所起作用较大，不宜去除。

4 优化模型重构及验证

4.1 优化模型重构

根据箱体静强度计算及拓扑优化分析的结果，在三维软件中对箱体模型进行优化设计，去除加强筋上部材料、安装法兰面轴承位上部局部材料和油封挡边局部材料，并局部优化原模型的最大应力集中点处结构。优化后的模型如图5 所示。

图5 优化后箱体模型

4.2 分析验证

对优化后的箱体模型进行强度计算，箱体最大等效应力为232.8MPa，位于小轴承的轴承座端面处，略高于许用应力，箱体出现轻微的屈服。最大变形是0.248mm，等效总应变的最大值为0.117%，符合IEC61400 的规范要求。

对比优化前后模型相关参数，如表3 所示。可知，优化后箱体的强度和刚度均略微减小，但箱体重量减轻了8.1kg，相对减少了8%，轻量化设计效果显著。

表3 优化前后模型相关参数

5 总结

基于风力发电机偏航变桨齿轮箱箱体结构形式及实际的载荷工况，采用有限元强度计算分析技术及拓扑优化结构分析技术，在保证齿轮箱性能满足设计要求的前提下，对齿轮箱箱体进行了轻量化设计，使其结构、质量和综合性能均得到较佳优化。本课题对提高齿轮箱箱体的设计水平和设计能力，具有较好的应用价值，并可推广至整个风电行业，可有效地助力于风电行业的高质量发展，实现“绿色、可靠、增值”的产品理念。