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1、风电齿轮箱柔性销轴结构的优化探讨 摘 要：风电齿轮箱作为风电主机的重要构件，体现出不行替代的重要作用和地位，要重点探讨风电齿轮箱结构的轻量化、大功率、高牢靠性，引入柔性销轴新技术，优化风电齿轮箱柔性销轴结构设计的参数，较好地满意技术要求。 关键词：风电齿轮箱;柔性销轴;结构;优化 风电齿轮箱是风电主机的重要构件，要重点关注风电齿轮箱的设计优化，引入柔性销轴结构和技术，生产设计轻量化、高牢靠性、经济性高的大功率风电齿轮箱，较好地满意国内持续增长的市场需求。 随着国内风机成熟机型的不断发展和进步，5 MW以上的大功率风机齿轮箱已经被研发和设计，国外厂商则研发8兆瓦以上的主机齿轮箱，德国更是起先单机
2、容量高达15 MW的风机齿轮箱的研发设计，以大功率的试验平台为支撑进行设计和试验，原有的中心轮与行星架“浮动”技术日益滞后，无法满意将来风电市场的发展需求，对此，德国设计采纳行星差动分流式的齿轮箱，体现轻量化、高质量的设计特性。Clipper企业研发设计多输出轴结构的齿轮箱，有效削减行星轮间受载的差值，提升风电齿轮箱的功率密度。 在风电齿轮箱的探讨方面，国内外学者进行了大量的分析，如：BODAS提出轻度受载条件下小模数行星轮与行星轮间载荷随行星轮形位误差的改变探讨;LIGATA检测齿轮齿根弯曲变形规律和误差分析;SINGH则关注多个行星轮与行星轮系统均载性能。我国相关学者则进行大功率风机齿轮箱
3、故障问题的分析和诊断，采纳有限元方法进行风电齿轮箱柔性销轴的受载计算和分析，获得更优的尺寸数据1。 1 风电齿轮箱柔性销轴结构的轻量化设计与应用分析 风电齿轮箱柔性销轴结构的轻量化设计能够保证设备的工作性能和运用寿命，在大功率风电主机日趋发展的趋势下，2 MW风电齿轮箱采纳柔性销轴结构有极其广泛的应用前景，可以采纳基于遗传算法的优化计算，进行风电齿轮箱柔性销轴结构的强度分析和尺寸优化，详细包括以下内容。 1.1 柔性销轴的强度分析 柔性销轴与行星架单侧板相结合，形成单悬臂梁构造，设计中采纳直齿圆柱齿轮，进行更加敏捷的尺寸参数和数量设计，实现悬壁与轴套的自动调整，有效削减齿轮的偏移量，避开双侧板
4、行星架扭转和偏心的现象，确保行星轮间的受载平衡，体现出啮合齿轮副的良好“互让”特性。在进行柔性销轴结构的强度分析过程中，相关参数包括有弯矩、最大应力、抗弯截面模量等。 1.2 齿轮箱的优化设计 可以采纳20CrMnMo作为太阳轮、行星轮的材料，42CrMo4作为内齿圈的材料，通过渗碳和淬火工艺，使齿轮外表面的硬度达到5860 HRC，内齿面硬度为5260 HRC，内外齿圈的心部硬度分别为265 HRB、3045 HRC。在齿轮箱的优化设计之中，通常选取的设计变量为齿轮模数、齿数、齿宽、啮合角、变位系数，以风电齿轮箱柔性销轴整体结构轻量化为目标函数，优化分析齿轮箱的柔性销轴系统指标，并通过装配、
5、几何、传动比、强度等约束条件，实现齿轮箱的精确装置和啮合传动，使结构的体积削减约14.68%2。 2 风电齿轮箱柔性销轴结构体积及牢靠性优化设计分析 风电齿轮箱柔性销轴结构的牢靠性分析主要从失效模式方面进行分析，利用失效模式影响分析理论和故障树分析理论，实现对风电齿轮箱柔性销轴结构的牢靠性理论评估和分析，一般来说，失效模式影响分析理论是由下而上、由零件到产品的理论分析和评估，侧重于系统故障模式、缘由危害等方面的针对性分析，适用于风电齿轮箱柔性销轴结构的牢靠性评估和分析，可以将增速箱的各个单元划分为不同等级，重点分析A类单元的影响程度和失效形式，主要包括各级太阳轮/行星轮、内齿圈、行星轮销轴、行
6、星架、花键联接等单元的影响程度，其主要失效形式为：齿轮。该元件的失效形式表现为表面疲惫损伤、弯曲断裂、磨损点蚀、剥落断齿等。柔性销轴。该元件的失效形式表现为断裂、表面损伤、磨损变形。轴承。该元件的失效形式表现为剥落开裂、磨损发热、压痕开裂。键。该元件的失效形式表现为压溃、磨损、剪断等。经过有限元分析可知，不同型号行星架的故障失效率极低，牢靠度为1，键联接、行星轮柔性销轴的牢靠性极高。而故障失效率相对偏高的是传动齿轮，在风况困难、外部载荷冲击严峻的状态下，齿轮箱会出现点蚀、剥落断齿的故障失效问题。 在风电齿轮箱柔性销轴结构系统的牢靠性预料之中，可以采纳串并联系统的数学预料模型进行分析，作出齿轮系
7、的牢靠性简图，进行柔性销轴系统的受力分析，获得第1级柔性销轴结构的切向力和转矩，即：太阳轮的切向力为337 073.4 N，转矩为50 561.01 Nm;行星轮对太阳轮的切向力为337 073.4 N;内齿圈对行星轮的切向力为337 073.4 N;行星架的转矩为288 1101.78 Nm;轴套的切向力为674 146.8 N。 3 结语 风电齿轮箱作为风电主机的重要构件，有极其巨大的应用潜能，要关注风电齿轮箱柔性销轴结构的优化设计和应用，进行重要尺寸参数的优化。获得结构紧凑的轻量化设计数据，进行系统的整体化设计和分析，使其体积、强度符合技术要求。将来还要将销轴和轴套作为联结整体，进行有限元分析和优化，考虑更加困难的风电齿轮箱运行状态，实现风电齿轮箱的全面、牢靠性評估。 参考文献 1李飞.行星齿轮传动柔性销轴比例模型的微动疲惫特性探讨D.湘潭：湘潭高校，2022. 2尹瑞华.轨道约束型重载链输送系统的设计D.天津：天津理工高校，2022. 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页