风电增速齿轮接触问题数值分析

【摘要】：风电齿轮箱是整个风电传动系统中最重要的功能部件,由于接触应力过大引起的风电增速齿轮损毁是导致风电齿轮箱不能正常工作的主要原因。因此,对风电增速齿轮在啮合传动过程中的接触问题进行深入分析具有重要意义。本文以某高速齿轮制造有限公司生产的兆瓦级风电增速齿轮箱增速齿轮为主要研究对象,考虑摩擦力的影响对风电增速齿轮接触问题进行了深入的分析和探究。首先,基于赫兹接触理论和有限元分析方法,对风电齿轮箱增速齿轮的接触类型、特点进行分析,根据渐开线齿轮的啮合原理得到渐开线方程和螺旋线方程,利用Pro/E软件的参数化方法建立了风电增速齿轮输出级太阳轮和行星轮的模型,并对其进行精确的装配;将装配好的齿轮副模型导入到ANSYS中,利用ANSYS Workbench平台对风电增速齿轮进行有限元分析,得到齿轮啮合过程中的接触应力和接触变形。其次,在转矩不变的条件下,分析风电齿轮接触应力与接触变形随转速的变化情况,计算结果表明:随着转速的增大,接触应力和接触变形也在增大,特别是当主动轮的速度达到一定的数值后,接触变形呈几何倍数增加,齿轮副接触应力变化明显,接触状态极不稳定,此时,齿轮副容易产生噪声、冲击等问题。分析结果同时显示:转矩的大小对风电齿轮接触应力和接触变形的影响也很大,随着转矩的不断增大,接触应力和接触变形也在增大,并呈现线性变化的趋势。最后,分析了摩擦力对风电增速齿轮接触应力和接触变形的影响。结果表明:在齿轮啮合过程中,齿根附近出现应力集中,并且出现最大应力值;当摩擦因数小于0.3时,接触应力和接触变形随着摩擦因数的增加而急剧增加,并呈现出线性变化趋势;当摩擦因数大于0.3时,接触应力随着摩擦因数的增大而缓慢增加,而接触变形随着摩擦因数的增大略有下降,并呈现出非线性变化趋势;对比考虑摩擦力和未考虑摩擦力时转速和转矩对风电齿轮接触性能的影响,得到摩擦力的存在使得在同等条件下的接触应力和接触变形明显增大。研究结果表明在风电齿轮啮合过程中,转速、转矩和摩擦力等因素对风电增速齿轮接触应力和应变有重要影响,研究成果对改进和优化风电齿轮的设计具有一定的参考价值。 【关键词】：风电齿轮 接触应力 接触变形 摩擦力 数值分析
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315;TH132.41
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 本文的研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外发展现状14-21
• 1.2.1 风力发电国内外现状14-15
• 1.2.2 风电齿轮箱国内外发展现状15-17
• 1.2.3 风电齿轮箱目前存在的问题以及主要的失效形式17-19
• 1.2.4 风电齿轮强度计算19-20
• 1.2.5 风电齿轮有限元接触分析20-21
• 1.3 本文研究主要内容21
• 1.4 本章小结21-23
• 第2章 风电增速齿轮接触理论23-31
• 2.1 经典Hertz接触理论23-24
• 2.2 风电增速齿轮接触理论24-25
• 2.3 接触分析有限元法25-28
• 2.4 ANSYS有限元接触分析28-30
• 2.4.1 ANSYS Workbench的接触类型及其特点28-29
• 2.4.2 ANSYS Workbench的接触算法29
• 2.4.3 ANSYS的接触方式29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 风电增速齿轮的参数化建模31-38
• 3.1 齿轮参数化建模31-36
• 3.1.1 风电增速齿轮端面基本参数的计算32
• 3.1.2 风电增速齿轮基本尺寸的计算32-33
• 3.1.3 风电增速齿轮参数化建模33-36
• 3.2 风电齿轮的装配36-37
• 3.3 本章小结37-38
• 第4章 风电增速齿轮有限元应力分析38-48
• 4.1 风电增速齿轮有限元实体模型的建立38-39
• 4.2 风电增速齿轮接触静力分析39-41
• 4.3 风电增速齿轮接触仿真计算结果及讨论41-43
• 4.4 赫兹计算结果与分析43-44
• 4.5 转矩和传动速度对风电齿轮啮合的影响44-46
• 4.5.1 主动轮转速对风电齿轮啮合的影响44-45
• 4.5.2 转矩大小对风电齿轮啮合的影响45-46
• 4.6 本章小结46-48
• 第5章 摩擦力作用下的风电增速齿轮接触分析48-58
• 5.1 考虑摩擦时风电增速齿轮太阳轮轮齿受力分析49
• 5.2 考虑摩擦力时风电齿轮应力计算49-52
• 5.2.1 风电增速齿轮啮合时端面受力分析49-51
• 5.2.2 摩擦力作用下的太阳轮轮齿接触应力计算51-52
• 5.3 考虑摩擦力时风电齿轮接触分析52-57
• 5.3.1 转速对风电齿轮副间摩擦力的影响52-53
• 5.3.2 转矩对风电齿轮副间摩擦力的影响53-54
• 5.3.3 摩擦力对风电齿轮接触应力的影响54
• 5.3.4 摩擦力对风电齿轮接触变形的影响54-55
• 5.3.5 转速对风电齿轮接触应力和变形的影响55-56
• 5.3.6 转矩对风电齿轮接触应力和变形的影响56-57
• 5.4 本章小结57-58
• 结论与展望58-60
• 结论58
• 展望58-60
• 参考文献60-63
• 致谢63-64
• 附录A 攻读学位所发表的学术论文目录64

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