风电齿轮箱箱体热结构特性分析研究

随着风力发电向大功率发展,对风力发电机组齿轮箱的可靠性提出了更高的要求。深入研究风力发电齿轮箱的热结构特性,对提高齿轮箱传动的可靠性与使用寿命有重要意义。本文以兆瓦级风力发电增速齿轮箱为研究对象,运用有限元分析的方法,得到齿轮箱箱体的静态特性、箱体和高速级传动部件的稳态温度场分布及箱体的热-结构耦合特性,同时运用Matlab仿真软件,建立齿轮箱系统的稳态热平衡模型,给出齿轮箱内平衡油温的计算方法。 首先,介绍了有限元静态分析理论,针对齿轮箱的结构特点和受载情况,确定合理的箱体有限元分析需加载的边界条件。对箱体各部件进行三维建模和总体装配,并导入ANSYS软件中进行结构静力学分析。得到额定工况下箱体的应力场和位移场,分析结构的强度和刚度。 其次,根据传热学的稳态传热和对流换热基础理论,计算齿轮箱的总生热量和各散热部件的散热量,在齿轮箱热模型简化的基础上,利用集总参数法建立齿轮箱系统产热与散热的稳态热平衡模型,通过Matlab软件编制求解稳态热平衡方程的迭代程序,得到箱体内润滑油温度随时间的变化曲线,同时得到齿轮箱系统达到热平衡状态时箱体各壁面的平均温度和各散热部件的散热量。 然后,建立箱体和高速级传动部件的三维实体模型。结合有限元热分析和热-结构耦合分析理论,确定环境温度最高、齿轮箱达到热平衡时的各热边界条件,利用ANSYS软件对齿轮箱系统进行稳态热分析,得到系统的稳态温度场分布。对Matlab仿真和有限元计算值与试验值进行比较,说明本文对齿轮箱系统的热分析方法是正确的。在此基础上,对箱体进行热-结构耦合分析,得到箱体在热和结构载荷共同作用下的变形值。提取箱体高速级四个轴承孔的变形值,并计算箱体变形引起轴的平行度误差。分析箱体变形对传动系统啮合齿向误差的影响,为计算高速级传动齿轮的啮合齿向总误差提供理论依据。 最后,分析润滑油粘度变化对高速级轴承生热量和轴承外圈温升值的影响。