CN111414666B - 一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法，包括感应线圈、导磁体及风电齿圈；设计步骤如下：测量风电齿圈单齿齿宽、齿高、压力角参数；依据参数设置初始感应加热模拟中感应线圈结构；模拟感应线圈离散化设置；模拟感应线圈扫描加热风电齿轮温度场；完成加热，拟合单齿上等温线分布；提取xoy截面等值线温度云图；判断温度等温线与齿廓间距是否符合淬硬层厚度要求；循环加热和上述判断过程保存所有值至数组；据此设计调整感应线圈结构参数，得到加热均匀且圆滑过渡的单齿扫描感应线圈。本发明能够自动匹配感应线圈与风电齿圈间距，基于此调整感应线圈形状，实现风电齿圈齿廓方向上的均匀加热，提高风电齿圈质量。
Description
技术领域
本发明涉及感应加热技术领域，尤其是一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法。
背景技术
由于风能清洁可再生的特点以及我国风力资源丰富，风力发电前景广阔。风电齿圈作为风力发电设备的重要基础部件，齿轮箱失效占据风电系统失效的12％，约为工业齿轮箱平均失效几率的2倍。而齿轮的失效占据风电齿轮箱失效的比例高达55％，一旦出现故障，难以修复且引起整体机组失效。风电齿轮箱不但是整个风力发电机组成本较高部分，约占风电机组总成本的18％左右，而且是风电机组的薄弱环节。提升大型风电齿圈质量，对提高高端风电机组自主化生产能力，突破风电关键构件垄断制约，增强风电机组核心构件竞争力，具有重要意义。因此，对风电齿圈进行强化处理十分必要。
电磁加热具有加热效率高、绿色环保的特点，但是由于临近效应和圆环效应等电磁加热特点，风电齿圈齿侧面温度分布不均，导致冷却后淬硬层厚度不均。在长期变负载作用下会造成齿面磨损和点蚀。逐齿扫描加热是大型风电齿圈感应加热的常用方式。在同领域研究中，曾对比研究利用V形线圈和π形线圈沿齿槽连续感应加热，以提高齿面温度分布均匀性。为提高大型风电齿圈齿面温度分布均匀性，可通过调整线圈结构实现，但大量重复实验不仅不便于线圈结构精确调整，还极大增加了生产成本。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法，能够自动匹配感应线圈与风电齿圈间距，基于此调整感应线圈形状，实现风电齿圈齿廓方向上的均匀加热，提高风电齿圈质量。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法，其特征在于：包括左右结构对称的V形感应线圈、设置在感应线圈V形角尖端的导磁体以及被加热的风电齿圈；所述感应线圈置于风电齿圈的两齿间，且平行于风电齿圈端面并与两齿齿侧面间距相同；还包括以下步骤：
1)测量实际需加热的风电齿圈，并获取风电齿圈参数：单齿齿宽、齿高、压力角；
2)根据风电齿圈参数设置初始感应加热模拟中感应线圈结构；
3)模拟感应线圈离散化设置；
4)模拟感应线圈扫描加热风电齿轮温度场；
5)完成加热，拟合单齿上等温线分布；
6)提取xoy截面等值线温度云图，y＝n时对应温度为T1的等温线与齿廓间距记为an；
7)判断温度为T1的等温线与齿廓间距an是否超过所需淬硬层厚度a；
8)若超过淬硬层厚度，则进一步判断an与a差值是否超过△a；
9)若未超过所需淬硬层厚度，则将数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn减小0.1mm，并据此对应调整y＝n时对应感应线圈结构尺寸，重新进行感应加热模拟和数据提取，直到温度为T1的等温线与齿廓间距an超过所需淬硬层厚度a；
10)判断温度为T1的等温线与齿廓间距an与所需淬硬层厚度a差值是否超过△a；
11)若未超过△a，则保存y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn；
12)若超过△a，则将数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn增大0.1mm，并据此对应调整y＝n时对应感应线圈结构尺寸，重新进行感应加热模拟和数据提取，直到温度为T1的等温线与齿廓间距an与所需淬硬层厚度a差值不超过△a；
13)n从1开始，循环加热和上述判断过程，每保存一个感应线圈与齿侧面间距bn值，对应n增加1，直到循环至n超过N，保存所有bn值至数组{bn}，并据此在初始V形感应线圈基础上设计调整感应线圈结构参数，得到加热均匀且圆滑过渡的单齿扫描感应线圈。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤2)具体包括：V形感应线圈与风电齿圈齿侧面间距为b、感应线圈与齿底间距为b、感应线圈长度与齿高相同、感应线圈V形角等于风电齿圈压力角、线圈厚10mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3)具体包括：
以风电齿圈齿宽中心单齿齿顶一点为原点，齿圈齿宽方向为z轴方向，单齿齿高方向为y轴方向建立坐标系，设置坐标系单位长度为d；
风电齿圈齿高为l，将感应线圈离散为N等份，N＝l/d且为整数，数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距记为bn，整体线圈离散，但每段线圈相互连接并共享接触面。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤8)中的△a一般为0.3mm。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明采用数值仿真的方法模拟V形线圈扫描感应加热过程，发现靠近加热区域中心截面温度场边界形貌符合Boltzmann函数，远离区域符合正态分布，并据此调整线圈结构，更为精确地控制齿面温度分布。
2、本发明将模拟线圈离散化设置，便于在模拟过程中单独调整每段线圈位置，提高计算效率，采用数值模拟的方法自动调整线圈结构，不仅可以实现齿面温度分布的精确控制调整，还极大节约了实验成本。
3、本发明能够自动匹配感应线圈与风电齿圈间距，基于此调整感应线圈形状，实现风电齿圈齿廓方向上的均匀加热，提高风电齿圈质量。
附图说明
图1是本发明用于逐齿扫描加热感应线圈设计方法流程图；
图2是本发明线圈设置示意图；
图3是本发明坐标系设置示意图；
图4是本发明逐齿扫描加热整体温度云图；
图5是本发明xoy截面等值线温度云图。
其中，1、感应线圈，2、导磁体，3、风电齿圈。
具体实施方式
本发明是针对风力发电设备重要基础部件中的风电齿圈进行电磁感应强化处理提供的一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法，采用数值仿真的方法模拟V形线圈扫描感应加热过程，能够自动匹配感应线圈与风电齿圈间距，据此调整线圈结构，更为精确地控制风电齿圈齿面温度分布，以提高大型风电齿圈齿面温度分布均匀性，提高风电齿圈质量。
下面结合图1～5及实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1、2所示，一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法，包括左右结构对称的V形感应线圈、设置在感应线圈V形角尖端的导磁体以及被加热的风电齿圈；所述感应线圈置于风电齿圈的两齿间，且平行于风电齿圈端面并与两齿齿侧面间距相同；还包括以下步骤：
1)测量实际需加热的风电齿圈，并获取风电齿圈参数：单齿齿宽、齿高、压力角；
2)根据风电齿圈参数设置初始感应加热模拟中感应线圈结构；具体包括：V形感应线圈与风电齿圈齿侧面间距为b、感应线圈与齿底间距为b、感应线圈长度与齿高相同、感应线圈V形角等于风电齿圈压力角、线圈厚10mm。
3)模拟感应线圈离散化设置；具体包括：
以风电齿圈齿宽中心单齿齿顶一点为原点，齿圈齿宽方向为z轴方向，单齿齿高方向为y轴方向建立坐标系，设置坐标系单位长度为d；
风电齿圈齿高为l，将感应线圈离散为N等份，N＝l/d且为整数，数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距记为bn，整体线圈离散，但每段线圈相互连接并共享接触面。
4)模拟感应线圈扫描加热风电齿轮温度场；
5)完成加热，拟合单齿上等温线分布；
6)提取xoy截面等值线温度云图，y＝n时对应温度为T1的等温线与齿廓间距记为an；
7)判断温度为T1的等温线与齿廓间距an是否超过所需淬硬层厚度a；
8)若超过淬硬层厚度，则进一步判断an与a差值是否超过△a；△a一般为0.3mm。
9)若未超过所需淬硬层厚度，则将数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn减小0.1mm，并据此对应调整y＝n时对应感应线圈结构尺寸，重新进行感应加热模拟和数据提取，直到温度为T1的等温线与齿廓间距an超过所需淬硬层厚度a；
10)判断温度为T1的等温线与齿廓间距an与所需淬硬层厚度a差值是否超过△a；
11)若未超过△a，则保存y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn；
12)若超过△a，则将数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn增大0.1mm，并据此对应调整y＝n时对应感应线圈结构尺寸，重新进行感应加热模拟和数据提取，直到温度为T1的等温线与齿廓间距an与所需淬硬层厚度a差值不超过△a；
13)n从1开始，循环加热和上述判断过程，每保存一个感应线圈与齿侧面间距bn值，对应n增加1，直到循环至n超过N，保存所有bn值至数组{bn}，并据此在初始V形感应线圈基础上设计调整感应线圈结构参数，得到加热均匀且圆滑过渡的单齿扫描感应线圈。
实施例
如图2所示：为实现上述目的，一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法，所依托的装置包括左右结构对称的V形感应线圈、设置在感应线圈V形角尖端的导磁体以及被加热的风电齿圈；所述感应线圈置于风电齿圈的两齿间，且平行于风电齿圈端面并与两齿齿侧面间距相同；
如图1所示，还包括以下步骤：
1)测量实际需加热的风电齿圈，并获取风电齿圈参数：单齿齿宽、齿高、压力角；
2)根据风电齿圈参数设置初始感应加热模拟中感应线圈结构；具体包括：
V形感应线圈与风电齿圈齿侧面间距为4mm，感应线圈与齿底间距为4mm，感应线圈长度与齿高相同，感应线圈V形角等于风电齿圈压力角，感应线圈厚度为10mm。
3)模拟感应线圈离散化设置；具体包括：
如图3所示，以风电齿圈齿宽中心单齿齿顶一点为原点，齿圈齿宽方向为z轴方向，单齿齿高方向为y轴方向建立坐标系，设置坐标系单位长度为0.2mm；
风电齿圈齿高为l，将感应线圈离散为N等份，N＝l/d且为整数，数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距记为bn，整体线圈离散，但每段线圈相互连接并共享接触面。
4)模拟感应线圈扫描加热风电齿轮温度场；
5)完成加热，获得加热后温度云图如图4所示，拟合单齿上等温线分布；
6)提取xoy截面等值线温度云图如图5所示，y＝n时对应温度为T1的等温线与齿廓间距记为an；
7)判断温度为T1的等温线与齿廓间距an是否超过所需淬硬层厚度3.5mm：
8)若超过淬硬层厚度，则进一步判断an与a差值是否超过0.3mm；
9)若未超过所需淬硬层厚度，则将数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn减小0.1mm，并据此对应调整y＝n时对应感应线圈结构尺寸，重新进行感应加热模拟和数据提取，直到温度为T1的等温线与齿廓间距an超过所需淬硬层厚度3.5mm；
10)判断温度为T1的等温线与齿廓间距an与所需淬硬层厚度a差值是否超过0.3mm：
11)若未超过0.3mm，则保存y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn；
12)若超过0.3mm，则将数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn增大0.1mm，并据此对应调整y＝n时对应感应线圈结构尺寸，重新进行感应加热模拟和数据提取，直到温度为T1的等温线与齿廓间距an与所需淬硬层厚度a差值不超过0.3mm；
13)n从1开始，循环加热和上述判断过程，每保存一个感应线圈与齿侧面间距bn值，对应n增加1，直到循环至n超过N，保存所有bn值至数组{bn}，并据此在初始V形感应线圈基础上设计调整感应线圈结构参数，得到加热均匀且圆滑过渡的单齿扫描感应线圈。
综上所述，本发明采用数值仿真的方法模拟V形线圈扫描感应加热过程，并据此调整线圈结构，更为精确地控制风电齿圈齿面温度分布；将模拟线圈离散化设置，便于在模拟过程中单独调整每段线圈位置，提高计算效率，采用数值模拟的方法自动调整线圈结构，不仅可以实现齿面温度分布的精确控制调整，还极大节约了实验成本。
Claims (4)
1.一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法，其特征在于：包括左右结构对称的V形感应线圈、设置在感应线圈V形角尖端的导磁体以及被加热的风电齿圈；所述感应线圈置于风电齿圈的两齿间，且平行于风电齿圈端面并与两齿齿侧面间距相同；还包括以下步骤：
1)测量实际需加热的风电齿圈，并获取风电齿圈参数：单齿齿宽、齿高、压力角；
2)根据风电齿圈参数设置初始感应加热模拟中感应线圈结构；
3)模拟感应线圈离散化设置；
4)模拟感应线圈扫描加热风电齿轮温度场；
5)完成加热，拟合单齿上等温线分布；
6)提取xoy截面等值线温度云图，y＝n时对应温度为T1的等温线与齿廓间距记为an；
7)判断温度为T1的等温线与齿廓间距an是否超过所需淬硬层厚度a；
8)若超过淬硬层厚度，则进一步判断an与a差值是否超过△a；
9)若未超过所需淬硬层厚度，则将数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn减小0.1mm，并据此对应调整y＝n时对应感应线圈结构尺寸，重新进行感应加热模拟和数据提取，直到温度为T1的等温线与齿廓间距an超过所需淬硬层厚度a；
10)判断温度为T1的等温线与齿廓间距an与所需淬硬层厚度a差值是否超过△a；
11)若未超过△a，则保存y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn；
12)若超过△a，则将数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距bn增大0.1mm，并据此对应调整y＝n时对应感应线圈结构尺寸，重新进行感应加热模拟和数据提取，直到温度为T1的等温线与齿廓间距an与所需淬硬层厚度a差值不超过△a；
13)n从1开始，循环加热和上述判断过程，每保存一个感应线圈与齿侧面间距bn值，对应n增加1，直到循环至n超过N，保存所有bn值至数组{bn}，并据此在初始V形感应线圈基础上设计调整感应线圈结构参数，得到加热均匀且圆滑过渡的单齿扫描感应线圈。
2.根据权利要求1所述的一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法，其特征在于：步骤2)具体包括：V形感应线圈与风电齿圈齿侧面间距为b、感应线圈与齿底间距为b、感应线圈长度与齿高相同、感应线圈V形角等于风电齿圈压力角、线圈厚10mm。
3.根据权利要求1所述的一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法，其特征在于：步骤3)具体包括：
以风电齿圈齿宽中心单齿齿顶一点为原点，齿圈齿宽方向为z轴方向，单齿齿高方向为y轴方向建立坐标系，设置坐标系单位长度为d；
风电齿圈齿高为l，将感应线圈离散为N等份，N＝l/d且为整数，数值模拟中y＝n时对应感应线圈与齿侧面间距记为bn，整体线圈离散，但每段线圈相互连接并共享接触面。
4.根据权利要求1所述的一种获取精密风电齿圈加热器的设计方法，其特征在于：步骤8)中的△a一般为0.3mm。
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| GR01 | Patent grant | ||
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