蒲海丰 王关平 王晓寅

摘要：本文用solidworks，建立风力发电机组齿轮箱三维实体模型，并且利用插件solidworks  simulation进行仿真;得出齿轮箱各零部件的应变、应力图以及仿真结果分析报告等;为进一步优化设计，缩短产品开发周期和技术改造提供参考

关键词：齿轮箱;solidworks;仿真

一、引言

风能作为一种清洁的可再生能源，在环境保护问题非常严重的当前形势下，在世界范围内引起了广泛的关注，并已在全世界范围内进行了大力的开发利用。中国的风力发电行业在“十二五”、“十三五”期间，得到了快速的跨越式发展成为继火力发电、水力发电之后的第三大能源。

随着我国风力发电行业的快速发展，风力发电产品占据市场份额的比例越来越大，我国风力发电产品设计制造技术水平得到了长足的发展，形成了具有较强竞争力的完整的产业体系，包含风力发电原材料加工、风力发电设备零部件制造、风力发电整机制造、风力发电场开发建设、以及风力发电检测认证体系等各个环节，同时风力发电产品制造设计实现了标准化、系列化，机组类型涵盖了双馈风力发电机、直驱永磁发电机和混合式发电机，单机发电容量从1.5MW迅速发展到现在最大的6MW级，并实现了风力发电从陆地到海上的跨域。[1]

风电机组中的齿轮箱在风电机组中非常重要，其主要作用是将风作用到叶片上，使得叶片旋转。叶片带动齿轮箱低速轴转动通过齿轮传动带动风电机组的发电机进行发电，由于在通常状况下叶片的转速很低，还远远达不到发电机发电所需要的转速，必须通过齿轮箱增速来实现，通过齿轮箱的增速，使得发电机输入轴获得比较高的转速进行发电。

因此增速齿轮箱设计及制造非常关键。相对于其他工业齿轮箱，风力发电齿轮箱的设计更为苛刻，可靠性和使用寿命比一般机械高得多，通常要求设计寿命不少于20年这是因为风力发电机组工作环境比较恶劣一般安装在高山，荒漠、海滩等风口处，受无规律的变化的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒的影响，一些极端天气状况的出现，都可能导致风力发电机组发生故障，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶机舱狭小空间内，在这样的环境下安装的像在地面那样具有牢固的机座基础，是不现实的，也是不可能的，一旦发生故障，修复非常困难。

由于风力发电机组齿轮箱工作环境恶劣，所受载荷复杂传统的设计方法，不能够满足设计要求，当前随着计算机技术的迅猛发展，计算机仿真技术已经达到了相当高的水平，如果在风电设备设计开发制造中使用这种技术凭借其强大的参数化设计能力及有限元分析，根据产品使用设计要求，进行产品设计的过程中，不断修改设计方案，修改零件尺寸，直到达到设计要求，并且进行应变、应力分析，校核强度，这样能够尽可能的缩短新产品开发周期、降低新产品研发成本，产品研发人员可以依靠这些技术大大缩短设计时间，从而使产品快速、高效地投向市场。

本文主要利用机械领域优秀的设计软件solidorks2018建立了风力发电机组齿轮箱三维实体模型并在此基础上利用solidorks2018软件所带插件  solidworks simulation  对风力发电机组齿轮箱仿真。

二、风力发电机组齿轮箱三维模型的建立

SolidWorks软件，目前在航天航空、工程机械、矿山冶金机械、电子通信、医疗器械、石化机械等领域有广泛的应用。

运用solidorks2018软件可以首先绘制齿轮箱的每一个零件如图1所示， 然后将每一个零件进行组装，在装配时要注意运用约束配合关系如重合、对称、平行、同轴、垂直、相切等，通过这些约束配合关系的限定使得整个装配过程犹如在实际生产现场中进行零件组装一样[2]，最终得到的齿轮箱装配图如图2所示。

solidorks2018软件可以实现尺寸驱动，通过这项功能可以非常快捷的改变齿轮箱装配体中零件的某些尺寸，并进行模型重建，其它零件会根据约束关系做出相应的变化，装配体并不需要拆卸后重新装配，此外solidorks2018软件能够模拟装配体在运动过程中，检查零件与零件之间是否会产生干涉现象，如图3所示这种功能可以优化生产设计，节约材料成本，避免资源浪费，从而及早发现问题及时对零部件进行修改，避免真正实物安装时，产生干涉碰撞而无法安装。通过零件实体建模，零件组装，干涉检查，最终建立了齿轮箱的虚拟样机图如图4所示。

三、仿真分析

齿轮箱装配体的三维模型建立以后，就可以通过Solidworks  simulation进行仿真，可以对于齒轮箱进行应力、应变和位移等方面的仿真分析。如图5所示，其过程是[2]

（一）点击simulation下拉菜单中的算例，打开按钮其中有算例类型，有静态、频率、疲劳、线性动力等。选择确定分析类型。

（二）齿轮箱零件材料的设置，从材料库选择或用户通过输入弹性模量、屈服强度等参数。自定义材料。

（三）载荷/夹具下拉菜单，夹具下拉菜单下有固定几何体、固定铰链、滚珠等形式，载荷可以施加力和力矩等。

（四）网格划分即不能网格划分过细又不能太粗选择比较恰当的网格划分也可以参考电脑推荐的网格划分进行。

（五）运行仿真分析（网格划分后就可以运行仿真分析）。

（六）查看仿真结果，仿真分析结果中，可以显示正应力、剪应力、各个方向上的应变、各个方向上的位移以及合位移。

按照上述仿真分析过程对于齿轮箱进行分析，产生word文档的算例如图6所示。

四、结语

利用solidworks对齿轮箱进行计算机仿真， 能够快速便捷的建立实体装配模型，利用solidworks simulation进行静力学，动力学分析并形成分析报告，从而可以实现快速化设计，大大缩短设计时间。仿真分析结果为风力发电机组齿轮箱的结构设计和优化提供了参考。

参考文献：

[1] 姚兴佳，刘颖明，宋筱文.我国风力发电技术进展及趋势[J]《太阳能》- 2016-10-28

[2] 蒲海丰，王晓寅，王关平，张彬。基于solidworks的cb-b125齿轮泵仿真研究

[J]《甘肃广播电视大学学报》- 2019-06-15

[3]刘晓琴，丁杰.基于虚拟样机技术的齿轮泵设计[J].制造技术与机床2009（4）： 45-46

基金项目：甘肃广播电视大学课题“基于虚拟样机的风力发电机组齿轮箱动态特性研究”（编号：2015-ZD-01）