文章编号:1004-2539(2011)02-0013-04
基于UG和ADAMS的风力发电机组齿轮箱动力学仿真研究
吴海宝吴金强
(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047)
摘要以750kW风力发电机组齿轮箱为研究对象，采用虚拟样机技术对增速齿轮箱进行了动力学仿真研究。根据齿轮箱结构、尺寸等设计参数，基于三维设计软件UG构建了风力发电机组齿轮箱的实体模型，并将其导入ADAMS中添加约束和载荷后，建立了齿轮箱的虚拟样机模型。利用ADAMS软件进行刚体动力学和关键部件的柔体动力学分析，得到输入、输出轴的角速度和加速度曲线、齿轮啮合力以及柔体应力云图。经分析，仿真结果与理论值相吻合，验证了仿真的正确性。结果表明，采用虚拟样机技术可提高齿轮箱的设计水平，也为后续传动系统的优化设计等提供指导意义。
关键词ADAMS UG齿轮箱动力学仿真
S tudy on Dynamic Simulation of Wind Turbine Gearbox bad on UG and ADAMS
Wu Haiba o Wu Jinqiang
(Institute of Mechanical Engineering,Xinjiang University,Urumqi830047,China)
Abstract Taking750kW wind turbine gearbox as study object,the dynamic simulation analysis of gearboxes by using virtual prototype technology is carried out.Bad on three dimensional modeling software UG and according to the gearbox structure size and other design para meter,the solid model of wind turbine gearbox is created and after im-porting to ADAMS and adding constraints and load,virtual prototype model of the gearbox is established.The rigid dy-namic analysis and fle xible dynamic analysis of key components are carried out by using ADAMS,and the angular ve-locity and acceleration curves of the in-out shaft,gear meshing force and flexible body stress cloud are obtained.The result is coincided with the theoretical value through analysis and the accuracy of ADAMS simulation is verified.The simulation results show that the design level of wind turbine gearboxes can be improved by using the virtual prototype technology and la y a good foundation for further design.
Key words ADAMS UG Gearbox Dyna mic simulation
0引言
风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，它的主要功能是将叶片在风力作用下所产生的动力
传递给发电机并使其得到相应的转速。作为传递动力的部件，在工作过程中同时承受动、静载荷，它的动载荷部分取决于叶片、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件等[1]。由于风载荷的不稳定性，使得设计与实际运行存在偏差，齿轮传动中的载荷超出设计值，造成齿轮表面剥落甚至载荷过大而疲劳破坏。近些年，有的风力发电机组齿轮箱损坏率高达40%~50%，而且齿轮箱是维修中最贵的部件之一，因此有必要对齿轮系统的动力学仿真分析来检验设计，提高齿轮箱的运行效率和可靠性。虚拟样机技术是利用C AD软件所提供的各零部件的物理和几何信息，直接在计算机上对机械系统进行建模和虚拟装配，从而获得产品的计算机数字模型，并针对该产品在投入使用后的各种工作情况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种技术。
本文中我们对750kW风力发电机组增速齿轮箱进行了建模与虚拟样机的运动仿真，得到其转速特征曲线，并与理论计算对比，验证仿真的正确性。
1齿轮箱传动简图
该型号增速齿轮箱是由一级行星轮和两级平行轴圆柱齿轮增速组成[2]，总传动比为i=1/67.4，其中太阳轮齿数z2=25；行星轮齿数z3=38；内齿圈齿数z4=
101；两级平行轴上的齿轮数z 5=21,z 6=80,z 7=21,z 8=74[3]。齿轮箱机构如图1
所示。
1输入轴前轴承 2输入轴后轴承 3太阳轮前轴承 4太阳轮后轴承 5中间轴前轴承 6中间轴后轴承 7高速轴前端 8高速轴后轴承 9发电机输入端轴承 10发电机自由端轴承
图1 齿轮箱传动简图
2 虚拟样机模型的建立
2.1 齿轮箱三维建模
因为ADAMS 提供的实体建模功能不适合复杂几何模型的构建，所以利用三维C AD(UG 等)软件建模来解决这个问题。本文中我们采用UG 软件进行了增速齿轮箱的零件建模与整体装配，在UG 中建立的增速齿轮箱三维分析模型如图2、图3
所示。
图2 齿轮箱行星轮机构模型图3 齿轮箱三维模型
2.2 UG 模型导入到ADAMS
为了得到虚拟样机的三维模型，需要进行UG 和ADAMS 之间的数据交换。ADAMS 提供的模型数据交换接口有Parasolid 、STEP 、IGES 、SAT 、DXF 和DW G 格式，这里把在UG 里建好的模型保存格式为Parasolid，其扩展名为:*.X )T 。2.3 虚拟样机模型
导入ADAMS 后的虚拟样机模型还不能进行动力学仿真，需要添加约束条件(比如固定副、旋转副、齿轮副等)和构件属性信息，最后得到齿轮箱的虚拟样机模型[4]31-33如图4所示(隐藏了齿轮箱外壳和行星架等部件)。
3 齿轮箱的动力学仿真与分析
3.1 添加载荷
本文中所定义的接触力是基于I MPAC T 函数的接
触模式，接触碰撞模型以Hertz 弹性撞击理论分析为基
础，可以比较准确的模拟齿轮传动机构的接触力情况。根据接触碰撞模型[4]34-75可知,ADAMS 仿真过程中碰撞力F )impact 的函数表达式为
图4 虚拟样机模型
F )impact=0 g \g 0
K (g 0-g)e -C(
d g
d t
)STEP (gg 0-d , 1,g 0,0) g <g 0
(1)
式中,K 为刚度系数;STEP 为阶跃函数;g 0为两物体间初始距离;e 为碰撞指数;g 为物体碰撞过程中的实际距离;g 0-g 为碰撞过程中的变形量;C 为阻尼系数;d g/d t 为物体的碰撞速度。
式(1)表示当g \g 0时，两物体不发生碰撞，其碰撞值为零；当g <g 0时，表示两物体发生碰撞，其碰撞力大小与刚度系数K 、变形量g 0-g 、碰撞指数e 、阻尼系数C 和阻尼完全作用时变形距离d 。根据相关文献，刚度系数K 取决于撞击物体的材料和结构形状，为
K =43
R 1/2
E (2)1R =1R 1+1R 2
(3)
式中,R 1、R 2分别为两个齿轮接触点的当量半径。
1E =(1-L 21)E 1+(1-L 2
2)E 2
(4)
式中,L 1、L 2分别为两个齿轮材料的泊松比;E 1、E 2分别为两个齿轮材料的拉伸弹性模量。
齿轮材料设计中因z 5和z 7均为运行高速齿轮，选择R b 和R s 都比较高的材料17Cr Ni M o6，其他齿轮材料选择20CrMnMo，全部齿轮需经过渗碳淬火，表面硬度HRC60?2，心部硬度大于HRC30。材料的泊松比L =0.29，拉伸弹性模量E =2.07@105
N/mm 2
，把数据代入式(4)，计算可得E =1.13@105N/mm 2。根据齿轮箱的已知数据并计算，得出齿轮对z 5、z 6刚度系数为K =1.51@106N/mm ，齿轮对z 7、z 8的刚度系数K =1.43@106
N/mm 。另外，根据反复试验取碰撞指数e 取
2.2；阻尼系数取100N #s/mm ；变形距离d 取0.1mm 。考虑碰撞时摩擦，两个齿轮按润滑处理，取动摩擦因数为0.05，静摩擦因数为0.08。
根据风机设计和运行要求，在建立的刚体模型输入轴上施加一个恒转速，大小为135(b )/s 即22.5r/min 来模拟传递到增速箱的转速，在输出轴上施加恒定的负载转矩4976053N #m m 来模拟发电机对系统的转矩。为了使转速不出现突变，利用STE P 函数使转速在1s 内由0增加到135(b )/s，关系式为STEP(time,0,0d,1,135d)。
3.2 仿真结果与分析
3.2.1 输入轴和输出轴转速仿真分析 设定运动关系和施加载荷后
[5]
，仿真2s ,50步。在后处理模块中,
可得到各轴角速度和加速度变化曲线。
图5
输入轴角速度随时间变化曲线
图6
输入轴加速度随时间变化曲线
图7 输出轴角速度随时间变化曲线
从图5和图7可以看出输入轴稳定转速为
135(b )/s，输出轴稳定转速为8925.83(b )/s 。根据风力
发电机组齿轮箱总传动比，可以求得输出轴的转速理论值为9099(b )/s，相对误差为1.9%，满足传动比要求；图6为输入轴加速度随时间变化曲线，在0.5s 时加速度最大，这与输入转速STEP(time,0,0d,1,135d)相吻合。图8为输出轴加速度随时间变化曲线，从0s 到1s 输出轴加速度曲线出现最高峰值，说明在此时间段内输出轴有一个较大的加速度，这是由于输入轴传动过程中的动载荷冲击带动输出轴也加速转动;1s 后加速度曲线基本呈周期性规律变化，并且每个周期加速度值由最小值逐渐增大到最大值然后变小，体现了输入轴上的齿轮啮合运动过程：从进入啮合到啮合区域中心，再逐渐退出啮合的周期过程；在1.25s 峰值有一个大幅度的下降，理论时间应该发生在1s，这是由于输入轴的驱动经过一级行星轮和两级平行轴圆柱齿轮的传递，到达输出轴的动载荷有时间滞后，这符合齿轮传动的基本规律。
图8 输出轴加速度随时间变化曲线
3.2.2 齿轮啮合力仿真分析 采用冲击函数法来计算啮合力[6]，接触模式选择Solid to Solid，其他参数
已经在3.1小节中给出，比如刚度系数K ，碰撞指数e 取2.2，阻尼系数取100N #s/mm，变形距离d 取0.1mm 等。仿真设置5s,100步，在后处理模块中得到齿轮啮合力时域图。
图9 z 7、z 8的啮合力时域图
从图9可以分析得到，从0s 到1s 为加速阶段，随着速度的增加，啮合力的波动幅度增加，波动周期减小；在1s 以后，啮合力基本呈现周期性变化，每个周期
啮合力总趋势从最小值逐渐增至最大然后变小的规律进行，这体现了齿轮之间的啮合情况，从即将进入啮合区域到进入啮合区域，然后到啮合区域中心，再逐渐退出啮合区域的运动过程，齿轮接触力最大值为1.3047@109N；齿轮啮合力时域图1s 后的周期变化与图8中输出轴加速度随时间变化曲线1s 后周期变化相对应。根据风力发电机组齿轮箱内部部件实际工作中的故障情况，可知z 7是容易发生故障的，有必要对它进一步的柔性动力学分析。
3.2.3 关键部件的柔体动力学分析 上文中对齿轮箱的虚拟样机模型进行了刚体动力学分析，刚体部件在受到力时不会发生变形，显然不满足实际情况，所以对于关键部件的需要进行柔体动力学分析。本文中选择z 7所在的输出轴，在ANSYS 中建立模态中性.mnf [7]文件，在ADAMS 中进行刚柔替换，得到轴的的柔体模型，按3.1小节添加驱动和负载转矩，进行仿真，得到
应力云图。
图10 输出轴的应力云图
从图10可以看出最大应力为542.26MPa，主要集中在齿轮z 7的两侧，这是由于齿轮左右侧都有轴承支点作为固定，齿轮传动时齿轮受力产生向外的位移量，两侧的固定轴承阻止齿轮轴发生变形，所以两侧的应力最大；也可看到啮合区域的轮齿受力比较大；这些分析都符合输出轴实际的受力情况。按照Hertz 公式计
算最大应力理论值为733.3MPa，这是因为Hertz 理论将齿轮视为接触的圆柱体，按照线接触计算，实
际上是局部区域接触，理论值一般偏大。查阅资料可知,17CrNiMo6材料的齿轮接触极限约1500MPa，所以说这种材料满足实际运行要求。
4 结语
在UG 中建立了750kW 风力发电机组齿轮箱的实体模型，并将其导入ADAMS，在此基础上建立虚拟样机模型，按照设计要求对齿轮箱进行刚体动力学分析，得到各轴角速度、加速度等参数随时间变化曲线，齿轮啮合力曲线，以及对齿轮箱关键部件输出轴进行柔体动力学分析得到应力云图；所得仿真结果均与相应理论值比较，符合实际情况，同时为进一步研究齿轮箱的疲劳分析、优化设计提供了依据。
参
考
文
献
[1] 尹炼，刘文洲.风力发电[M].北京：中国电力出版社,2002:8-10.[2] 宫靖远，贺德馨，孙如林，等.风电场工程技术手册[M ].北京：机械
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[6] 李增刚.ADA MS 入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社,
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[7] 党长营.大型风力发电机组多刚体与多柔体动力学研究[D].新疆
大学,2010:51-68.收稿日期:20100803
基金项目：新疆维吾尔自治区高校科研计划科学研究重点项目：主流直
驱/齿轮传动风电机组机械故障诊断技术研究
作者简介：吴海宝(1984-)，男，河北衡水人，硕士研究生
