變槳距減速器的設(shè)計(jì)

變槳距減速器的設(shè)計(jì)

0國(guó)外先進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)研究尚未深入圖1顯示了本文中研究的可變間隔離用減速器的簡(jiǎn)單傳輸圖。在傳動(dòng)比大、硬齒面多齒的組合能力大、螺旋齒輪與針齒的密封過(guò)程中，產(chǎn)生長(zhǎng)量大、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)在這一領(lǐng)域的技術(shù)研究剛剛起步,沒(méi)有掌握其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù),有關(guān)大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距用減速器的設(shè)計(jì)及制造、性能測(cè)試等方面的技術(shù)研究遠(yuǎn)落后于德國(guó)、美國(guó)、西班牙、丹麥等國(guó)家,主要來(lái)源依然依賴進(jìn)口,在引進(jìn)和消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)方面的工作仍然有很多,目前國(guó)內(nèi)只能以三級(jí)漸開(kāi)線齒輪行星減速器來(lái)代替。因此,通過(guò)對(duì)該變槳距減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與制造技術(shù)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)用變槳距用減速器,對(duì)提高我國(guó)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平和性能具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。我們通過(guò)Pro/E和ADAMS建立了變槳距擺線針輪傳動(dòng)減速器的剛?cè)狁詈夏Ｐ?并利用ADAMS進(jìn)行了仿真。1多因素模型的構(gòu)建1.1建立實(shí)體模型變槳距用擺線針輪行星傳動(dòng)減速器為二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),并且每級(jí)擺線輪均采用二齒差齒形［２］。利用Pro/E分別建立該減速器各零部件的三維實(shí)體模型,在不影響系統(tǒng)傳動(dòng)和后續(xù)分析的基礎(chǔ)上,為了提高后續(xù)的運(yùn)算速度,在建模過(guò)程中進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化,刪除了所有用于緊固的螺釘和螺母,刪除所有倒角、圓角和鍵槽。按照裝配關(guān)系,對(duì)所建立的各零部件實(shí)體模型進(jìn)行裝配,裝配完成后對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查。圖2為變槳距擺線針輪傳動(dòng)減速器三維實(shí)體模型分解視圖。1.2模型的建立和模型的建立將變槳距減速器三維實(shí)體模型在Pro/E中保存副本為實(shí)體的*x_t格式文件［３］,將其導(dǎo)入到AD-AMS中,檢查模型,設(shè)置工作環(huán)境,簡(jiǎn)化模型,添加約束和接觸力［４］,如表1、表2所示,所建立的剛體模型如圖3所示。1.3柔性體文件的求解分析變槳距擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)原理,在系統(tǒng)傳動(dòng)過(guò)程中,擺線輪的變形對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能影響較大,所以建立其柔性體。將擺線輪通過(guò)IGES格式導(dǎo)入到有限元軟件Ansys軟件中［５］,定義單元類型、實(shí)常數(shù)和材料屬性并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,定義外部節(jié)點(diǎn)并建立剛性區(qū)域,通過(guò)Solution模塊進(jìn)行求解,得到ADAMS需要的柔性體文件(.MNF文件),在ADAMS/Flex模塊中使用Toolkit工具箱對(duì)MNF文件進(jìn)行優(yōu)化,以提高ADAMS的求解速度。擺線輪的有限元模型如圖4所示。1.4剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型將上述建立的擺線輪的柔性體文件導(dǎo)入AD-AMS中［６］,使其與剛體模型中的剛體模型重合,把剛體模型設(shè)置為啞物體［７］４２－４３,添加接觸力和約束副,得到剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)模型進(jìn)行自檢,排除模型在建立過(guò)程中隱含的錯(cuò)誤。如圖5所示。2模擬與結(jié)果分析2.1輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)周期為了避免數(shù)值突變,微分值不連續(xù)的情況發(fā)生,根據(jù)工況,利用step函數(shù)定義驅(qū)動(dòng)為輸入軸轉(zhuǎn)速為475r/min,傳動(dòng)比為165,經(jīng)計(jì)算得到輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需的時(shí)間為(396/19)s,設(shè)定仿真時(shí)間為21s,步數(shù)為2100［７］４２－４３。2.2旋轉(zhuǎn)軸和針齒之間的匹配力分析2.2.1擺線輪匹配的動(dòng)力學(xué)特性圖6為第一級(jí)傳動(dòng)中選定針齒與兩片擺線輪前5s的嚙合力動(dòng)態(tài)曲線,從圖中可以看出,同一針齒與兩片擺線輪進(jìn)行交替嚙合,具有周期性。圖7中實(shí)線為第一級(jí)傳動(dòng)中擺線輪1與選定針齒2在9~15s嚙合力曲線,虛線為擺線輪2與選定針齒1在9~15s嚙合力曲線。這兩個(gè)針齒在位置上相位差180°,從圖中可以看出,這兩條嚙合力曲線在周期和幅值上基本完全重合,說(shuō)明兩針齒各自的受力時(shí)間和受力大小均相同。2.2.2s后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)圖8為第二級(jí)傳動(dòng)中選定針齒與兩片擺線輪的嚙合力前5s動(dòng)態(tài)曲線。從圖中可以看出在1~2s系統(tǒng)加載過(guò)程中,針齒與擺線輪之間才開(kāi)始產(chǎn)生嚙合力。2s后,系統(tǒng)處于滿載運(yùn)行,此時(shí)針齒與擺線輪的嚙合力也增大到最大。各個(gè)周期的嚙合力幅值基本相同,與兩片擺線輪分別嚙合的嚙合力也基本相同,說(shuō)明第二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有良好的均載性和穩(wěn)定性。圖9中實(shí)線是第二級(jí)傳動(dòng)中選定針齒1與擺線輪1嚙合力動(dòng)態(tài)曲線,虛線是第二級(jí)傳動(dòng)中選定針齒2與擺線輪2嚙合力動(dòng)態(tài)曲線。這兩個(gè)針齒在位置上相位差180°,從圖中可以看出,兩條曲線基本吻合,無(wú)論嚙合周期還是嚙合力幅值都基本一樣。2.3旋轉(zhuǎn)軸和柱銷之間的接觸力分析2.3.1擺線輪與柱銷傳動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)圖10中實(shí)線是第一級(jí)傳動(dòng)中選定柱銷1與擺線輪1的接觸力Y向分力動(dòng)態(tài)曲線,虛線是選定柱銷1與擺線輪2的接觸力Y向分力動(dòng)態(tài)曲線。從圖中可以看出:柱銷與兩片擺線輪交替接觸,柱銷在擺線輪內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周,與兩片擺線輪分別產(chǎn)生成一個(gè)小周期的接觸力;擺線輪旋轉(zhuǎn)一周,柱銷與擺線輪產(chǎn)成一個(gè)大周期的接觸力。由于一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是二齒差傳動(dòng),每個(gè)大周期與相鄰的兩個(gè)周期有重疊部分,體現(xiàn)擺線輪與柱銷傳動(dòng)的連續(xù)性。兩條曲線是連續(xù)的,說(shuō)明柱銷受力的連貫性,沒(méi)有沖擊出現(xiàn),擺線輪與柱銷傳動(dòng)平穩(wěn)。選取處于選定柱銷1對(duì)立位置的柱銷2與兩片擺線輪在0~10s間Y向接觸力動(dòng)態(tài)曲線對(duì)比,如圖11所示,可以看出在選定柱銷2與選定柱銷1的受力仿真值在同一時(shí)刻大小相同,方向相反。在同一周期內(nèi),接觸力幅值上差別很小。2.3.2替接觸的加載圖12為第二級(jí)傳動(dòng)中選定柱銷1與兩片擺線輪接觸力動(dòng)態(tài)曲線。與一級(jí)傳動(dòng)中柱銷受力一樣,第二級(jí)傳動(dòng)的柱銷與兩片擺線輪交替接觸,從1s開(kāi)始加載開(kāi)始,接觸力逐漸增大,到2s滿載。從圖13可以看出,處于對(duì)立位置的柱銷所受接觸力大小相等,方向相反。各曲線基本沒(méi)有突變和波動(dòng),這是由于二級(jí)傳動(dòng)中擺線輪轉(zhuǎn)速較低,其彈性變形對(duì)剛體系統(tǒng)的耦合作用很弱,擺線輪與柱銷傳動(dòng)平穩(wěn),另外,可以看出擺線輪彈性變形在高速轉(zhuǎn)動(dòng)中對(duì)減速器的耦合作用強(qiáng),在設(shè)計(jì)中是不可忽略的因素。2.4軸的旋轉(zhuǎn)壓力分析2.4.1擺線輪的傳動(dòng)受力第一級(jí)轉(zhuǎn)臂軸承X向動(dòng)態(tài)曲線(圖14a)可以看出,轉(zhuǎn)臂軸承有軸向力存在,其平均值大小為10.1575N,最大值為27.7963N,可見(jiàn)在第一級(jí)中擺線輪在傳動(dòng)過(guò)程中有一定軸向彎曲變形。由圖14b和圖14c可以看出轉(zhuǎn)臂軸承與遠(yuǎn)離輸入端的擺線輪2接觸受力情況與靠近輸入端擺線輪1接觸受力,大小相等,方向相反,同時(shí)從兩條曲線可以也看出轉(zhuǎn)臂軸承受力均載性較好,沒(méi)有沖擊和突變發(fā)生。從圖14d中看出平均值大小為6532.1588N。2.4.2旋轉(zhuǎn)軸線下二級(jí)轉(zhuǎn)臂軸承具有良好的均載性和穩(wěn)定性由第二級(jí)轉(zhuǎn)臂軸承受力曲線(圖15)可以看出,轉(zhuǎn)臂軸承不受軸向力,只有在14.48s和16.68s兩個(gè)時(shí)刻有沖擊發(fā)生,但幅值較小,只有4.8×10－５N,可以忽略不計(jì)。從轉(zhuǎn)臂軸承與兩片擺線輪Y向受力曲線中可以看出,在同一時(shí)刻,與兩片擺線輪接觸力大小相等方向相反,沒(méi)有沖擊和突變發(fā)生,說(shuō)明二級(jí)轉(zhuǎn)臂軸承具有良好的均載性和穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)臂軸承與擺線輪1受力5s后平均值為53550.9276N,與擺線輪2受力5s后的平均值為53442.6437N。3擺線輪與柱銷間的耦合作用(1)基于ADAMS軟件對(duì)變槳距擺線針輪傳動(dòng)減速器的剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行仿真,并得到了擺線輪與針輪之間的接觸力、擺線輪與柱銷之間的接觸力以及轉(zhuǎn)臂