CN113297700B - 风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法，其包括：步骤一、在制图软件中建立齿轮箱壳体的几何模型；步骤二、将齿轮箱壳体的几何模型导入有限元软件，建立有限元模型；步骤三、在有限元软件中定义齿轮箱壳体各部件的单元类型均采用实体单元；步骤四、定义齿轮箱壳体各部件的材料属性；步骤五、对齿轮箱壳体的有限元模型施加载荷；步骤六、对齿轮箱壳体的有限元模型施加边界条件；步骤七、将齿轮箱壳体的有限元模型提交至有限元软件进行求解，提取翻身吊耳上最大的应力、应变对比翻身吊耳材料的许用应力、许用应变得到用于校核风电齿轮箱的翻身吊耳的强度是否满足要求的对比结果。本申请具有便于提高翻身吊耳强度校核的准确度的优点。
Description
技术领域
本申请涉及风电齿轮箱翻身吊耳强度检测的领域，尤其是涉及一种风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法。
背景技术
近年来，风电行业发展迅速，风电齿轮箱的重量也越来越重，翻身吊耳的强度也成为了必须校核的项目。其中，翻身吊耳主要用于在装配过程中翻转齿轮箱，以便于辅助完成各项装配工作，如果翻身吊耳的强度不满足要求，可能会影响装配工作，甚至是产生安装时的安全问题，因此翻身吊耳的强度校核工作就变得尤为重要。
在相关的风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方案中，一般只是从整个风电齿轮箱产品的角度进行产品质量校核且校核的方法有：采用强度检测工具对包括翻身吊耳的整个齿轮箱产品外壳的强度进行测试、采用齿轮箱实物样品模拟整个翻身过程观察翻身吊耳是否会出现开裂等问题，等等。但是，这些方式都只是针对于整个产品的检测，都很难达到实际工程所需要的翻身吊耳校核的准确度。
发明内容
为了便于提高翻身吊耳强度校核的准确度，本申请提供一种风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法。
本申请提供的一种风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法采用如下的技术方案：
一种风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法，包括：
步骤一、在制图软件中建立齿轮箱壳体的几何模型；
步骤二、将齿轮箱壳体的几何模型导入有限元软件，建立有限元模型；
步骤三、在有限元软件中定义齿轮箱壳体各部件的单元类型均采用实体单元；
步骤四、定义齿轮箱壳体各部件的材料属性；
步骤五、对齿轮箱壳体的有限元模型施加载荷，包括齿轮箱壳体的重力和齿轮箱内部部件的重力；
步骤六、对齿轮箱壳体的有限元模型施加边界条件，包括翻身吊耳的固定约束和辅助吊耳的固定约束；
步骤七、将齿轮箱壳体的有限元模型提交至有限元软件进行求解，提取翻身吊耳上每一处的应力、应变，然后将提取的翻身吊耳上最大的应力、应变对比翻身吊耳材料的许用应力、许用应变得到用于校核风电齿轮箱的翻身吊耳的强度是否满足要求的对比结果。
优选的，步骤一中所述的齿轮箱壳体的部件至少包括：输入透盖、前箱体、一级齿圈、中箱体、二级齿圈、后箱体、三级齿圈、后箱盖和输出透盖；步骤四中定义齿轮箱壳体各部件的材料属性时，输入透盖、前箱体、中箱体、后箱体、后箱盖和输出透盖均采用QT400，一级齿圈、二级齿圈和三级齿圈均采用42CrMo。
优选的，步骤二所述的有限元模型的各部件之间的连接关系均采用绑定连接。
优选的，步骤五所述的齿轮箱壳体的重力的施加通过有限元软件中的StandardEarth Gravity命令实现，齿轮箱内部部件的重力根据预设的重力分配方法并通过有限元软件中的Bearing load命令加载到轴承座上；其中，轴承座为齿轮箱壳体的一部分。
优选的，所述齿轮箱内部部件包括一级行星组件、二级行星组件和三级行星组件，每个行星组件均对应不同的轴承座；所述预设的重力分配方法包括：
将一级行星组件、二级行星组件和三级行星组件分别看做单个整体，然后按单个整体的重量及重心位置计算相应的轴承座应该被分配到的重力。
优选的，每个行星组件的重量m及重心位置均为在三维软件Creo中测量得到。
优选的，每个行星组件均对应两个轴承座，在三维软件Creo中还分别测量得到每个行星组件的重心与对应两个轴承座的距离l1、l2；所述按单个整体的重量及重心位置计算相应的轴承座应该被分配到的重力包括：
根据二元一次方程组
求解得到F1和F2，其中，m为相应行星组件的重量，l1为该行星组件的重心与对应两个轴承座中其中一个轴承座的距离，l1为该行星组件的重心与对应两个轴承座中另一个轴承座的距离，F1为l1所对应的轴承座应该承担的重力，F2为l2所对应的轴承座应该承担的重力。
优选的，还包括：
在至少三种工况下对翻身吊耳的强度进行校验，所述至少三种工况包括风电齿轮箱处于水平状态、风电齿轮箱处于翻转45°状态和风电齿轮箱处于竖直状态；
在风电齿轮箱处于水平状态的工况下，步骤五中将各个行星组件对应在相应轴承座上的重力加载在所述相应轴承座的周面上；
在风电齿轮箱处于翻转45°的工况下，步骤五中将各个行星组件对应在相应轴承座上的重力都分解成两个分量，两个分量中，一个加载在所述相应轴承座的端面上，另一个加载在所述相应轴承座的周面上；
在风电齿轮箱处于竖直状态的工况下，步骤五中将各个行星组件对应在相应轴承座上的重力加载在所述相应轴承座的端面上。
优选的，在风电齿轮箱处于水平状态和风电齿轮箱处于翻转45°的工况下，步骤六中对齿轮箱壳体的有限元模型施加的边界条件均为翻身吊耳的固定约束和辅助吊耳的固定约束；在风电齿轮箱处于竖直状态的工况下，步骤六中对齿轮箱壳体的有限元模型施加的边界条件为翻身吊耳的固定约束。
综上所述，本申请具有以下有益技术效果：
采用本申请公开的风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法，首先建立齿轮箱壳体的几何模型，并将将几何模型导入有限元软件建立形成有限元模型，然后定义部件的单元类型、材料属性、连接关系和边界条件，最后对有限元模型施加载荷，求解计算得到翻身吊耳的应力。这样，通过上述方法，有助于将翻身吊耳上每一处的应力、应变都计算出来，之后，通过提取翻身吊耳的应力、应变与翻身吊耳材料的许用应力、许用应变进行分别对比，即可得到对比结果，根据该对比结果即可校核风电齿轮箱的翻身吊耳的强度是否满足要求，有助于提高翻身吊耳强度校核的准确度。另外，由于齿轮箱内部结构比较复杂，所以将齿轮箱内部部件的重力单独计算出来并施加到对应轴承座上，这样有利于解决有限元建模时接触较多、网格较多而容易导致的计算时间长和模型报错的问题。
附图说明
图1是本申请实施例的齿轮箱壳体的剖视图。
图2是本申请实施例的齿轮箱壳体的结构示意图。
图3是本申请实施例的齿轮箱壳体另一视角下的剖视图。
图4是本申请实施例的用于体现一级行星组件受力情况的示意图。
图5是本申请实施例的用于体现风电齿轮箱受力情况的示意图。
图6是本申请实施例的用于体现风电齿轮箱分别在三种工况下的状态的示意图。
附图标记说明：1、输入透盖；11、一级行星组件；12、二级行星组件；13、三级行星组件；2、前箱体；3、一级齿圈；4、中箱体；5、二级齿圈；6、后箱体；61、翻身吊耳；7、三级齿圈；8、后箱盖；9、输出透盖。
具体实施方式
以下结合附图对本申请作进一步详细说明。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细说明。
首先，对本申请实施例涉及的名词进行介绍。
翻身吊耳，其主要用于在装配过程中翻转风电齿轮箱，以辅助完成风电齿轮箱的各项装配工作，因此它的强度是否达标是整个装配过程能否顺利进行的重要因素之一。
Creo，其是一个整合了Pro/Engineer的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术的新型CAD设计软件包，用于解决制造企业在CAD应用中面临的核心问题，包括基本的易用性、互操作性和装配管理等问题。
Ansys Workbench，通常称之为有限元软件平台，但实际上，ANSYS WORKBENCH包含了一系列软件，虽然绝大部分软件是使用有限元方法进行编制的，但是也有部分软件使用了有限体积法，也有软件使用了无网格方法，能对复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热、电磁场以及耦合场等进行分析模拟。
荷载，指的是引起结构失去平衡或破坏的外部作用，即直接施加在结构上的各种力，例如结构自重、活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载等，本申请中的荷载是指风电齿轮箱的结构自重。
边界条件，是指在求解区域边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律；边界条件是控制方程有确定解的前提，对于任何问题，都需要给定边界条件；边界条件的处理，直接影响了计算结果的精度。
许用应力，机械设计或工程结构设计中允许零件或构件承受的最大应力值；要判定零件或构件受载后的工作应力过高或过低，需要预先确定一个衡量的标准，这个标准就是许用应力，若零件或构件中的工作应力不超过许用应力，这个零件或构件在运转中就是安全的，否则就是不安全的。
许用应变，其和许用应力是相似的道理，在物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同，用以描述一点处变形的程度的力学量即是该点的应变。
本申请实施例公开一种风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法。该方法包括以下步骤：
一、在制图软件Creo中建立齿轮箱壳体各部件的几何模型；如图1和图2所示，齿轮箱壳体包括输入透盖1、前箱体2、一级齿圈3、中箱体4、二级齿圈5、后箱体6、三级齿圈7、后箱盖8和输出透盖9，后箱体6两侧均设有翻身吊耳61，在制图软件Creo中建立这些部件的模型后，将这些部件进行装配，形成齿轮箱壳体的几何模型。
二、将齿轮箱壳体的几何模型导入有限元软件Ansys Workbench，建立有限元模型；有限元模型的各部件之间的连接关系均采用绑定连接，并且，通过以下三至六步骤使该有限元模型的载荷传递路径完整且与实际相符。
三、在有限元软件Ansys Workbench中定义齿轮箱壳体各部件的单元类型均采用实体单元。
四、定义齿轮箱壳体各部件的材料属性；具体的，输入透盖1、前箱体2、中箱体4、后箱体6、后箱盖8和输出透盖9均采用QT400，一级齿圈3、二级齿圈5和三级齿圈7均采用42CrMo。
五、对有限元模型施加载荷，包括齿轮箱壳体的重力和齿轮箱内部部件的重力；具体的，齿轮箱壳体重力通过有限元软件Ansys Workbench中的Standard Earth Gravity命令实现，齿轮箱内部部件的重力根据预设的重力分配方法并通过Ansys Workbench中的Bearing load命令加载到齿轮箱壳体内部的轴承座上。其中，轴承座是安装轴承的位置，其属于壳体的一部分；由于在实际工况下，翻身吊耳61承受的是整个风电齿轮箱的重量，而风电齿轮箱内部部件是承载在轴承座上，所以风电齿轮箱内部部件的重力需要进行考虑且内部部件的重力需要加载到轴承座上。
六、对齿轮箱壳体的有限元模型施加边界条件，包括翻身吊耳61的固定约束和辅助吊耳的固定约束；具体的，均通过Ansys Workbench中的Fixed Support命令对翻身吊耳61和辅助吊耳进行固定约束。结合图2，两个翻身吊耳61分别位于后箱体6的两侧，其属于整个壳体的一部分；辅助吊耳是外部帮助风电齿轮箱翻身的外部工装，在实际工况下，翻身的时候，后箱体6两侧的翻身吊耳61被吊住，而辅助吊耳即外部工装是用于吊住前箱体2前端的大圆盘，从而辅助完成翻转。其中，固定约束的含义是，约束后箱体6两侧的翻身吊耳61以及前箱体2前端的辅助吊耳吊住整个齿轮箱。
七、计算得到翻身吊耳61的应力；具体的，将齿轮箱壳体的有限元模型提交至有限元软件Ansys Workbench进行求解，整个壳体包括翻身吊耳61上每一处的应力、应变都会被计算出来；之后，通过提取翻身吊耳61的应力、应变，将提取的翻身吊耳61的最大的应力、应变对比翻身吊耳61材料的许用应力、许用应变，即可得到对比结果，根据该对比结果即可校核风电齿轮箱的翻身吊耳61的强度是否满足要求。
其中，步骤五中所提到的用于齿轮箱内部部件的预设的重力分配方法具体如下：
如图3所示，在实际的风电齿轮箱中，设置有从前箱体2至后箱体6方向依次分布的一级行星组件11、二级行星组件12和三级行星组件13；在通过制图软件Creo建模过程中，将这三个行星组件分别看做单个整体，然后按重量及重心位置，计算在相应的轴承座上应该分配的重力；最后，在有限元软件Ansys Workbench中，将各个行星组件的重力施加在对应轴承座上即可，而不需进行三个行星组件的有限元建模。这里需要说明的是，三个行星组件的模型仅存在于制图软件Creo中，导入有限元软件Ansys Workbench的仅为齿轮箱壳体的几何模型，如此，省去了齿轮箱内部部件的有限元建模，在保证后期计算准确性的前提下，提高了有限元建模时的建模效率。
具体的，如图3所示，风电齿轮箱中共设置A、B、C、D、E、F共六个轴承座，A、B两个轴承座承担一级行星组件11的重力，C、D两个轴承座承担二级行星组件12的重力，E、F两个轴承座承担三级行星组件13的重力。以一级行星组件11为例，先在三维软件Creo中测量一级行星组件11的重力，及重心距离轴承座A、轴承座B的距离，然后计算出轴承座A、轴承座B分担的重力；在有限元建模时，通过Ansys Workbench中的Bearing load命令将计算出的重力分别加载到轴承座A和轴承座B上即可。具体的，结合图4，A、B两个轴承座所分担重力的计算方式为：一级行星组件11的重量为m，其重心与轴承座A的距离为l1，与轴承座B的距离为l2，假设轴承座A承担重力为F1，轴承座B承担重力为F2，则根据二元一次方程组
，求解得到F1和F2。二级行星组件12和三级行星组件13的重力分配原理与一级行星组件11相同，在此不再赘述。
由于在风电齿轮箱的实际装配过程中，翻身吊耳61起到的是翻转风电齿轮箱的作用，因此分析下来应该是测量整个翻转过程中翻身吊耳61的受力。但是，由于后箱体6两侧的翻身吊耳61是中心对称分布的，所以只需要考虑翻转0-90°的情况再结合上述步骤一至七对翻身吊耳61的强度进行校验即可，而在90-180°、180-270°、270-360°的情况下，翻身吊耳61的受力情况跟0-90°时的受力情况是重复的，所以不用再重复考虑。
在考虑翻转0-90°的情况时，考虑0°即水平状态、45°以及90°这三个工况。结合图5，考虑风电齿轮箱处于水平状态的工况是因为，此时风电齿轮箱的重力使翻身吊耳61处产生支反力，整个过程中翻身吊耳61所分担的力F3和辅助吊耳所分担的力F4均保持不变，同时，由于风电齿轮箱的重力以及翻身吊耳61与风电齿轮箱重心之间的距离l3会使翻身吊耳61处产生弯矩，而且由于风电齿轮箱处于水平位置时l3最大，弯矩也最大，所以，在风电齿轮箱处于水平位置时可能是翻身吊耳61受力最大的时候，需要考虑；考虑风电齿轮箱被翻转45°是因为，需要选择一个中间过程的工况，使得检测更准确，便于根据数据分析翻身吊耳61的受力；考虑风电齿轮箱被翻转90°是因为，由于翻转工作完成时，也就是风电齿轮箱竖直时，前箱体2前端的辅助吊耳脱开，整个风电齿轮箱的重力均加载到了翻身吊耳61上，此时也可能是后箱体6两侧的翻身吊耳61受力最大的时候，所以该工况也需要考虑。因此，本申请实施例检测以上三种工况下翻身吊耳61的强度。三种工况下风电齿轮箱的状态参照图6。
然而，在上述三种工况下，风电齿轮箱内部部件的重力作用在轴承座上的部位是不一样的，所以在步骤五中需要根据实际需要测试的工况对各个行星组件的重力进行适应性的加载。以下对上述三种工况下翻身吊耳61强度校核时涉及的有限元模型中的载荷施加分别进行详细阐述：
1.风电齿轮箱处于水平状态时
在上述步骤五中对有限元模型施加载荷的方式具体为：齿轮箱壳体重力的施加方式不变，但是由于重力始终是竖直向下的，在风电齿轮箱水平时，齿轮箱内部部件即各个行星组件的重力是作用在对应轴承座的周面上，所以通过Ansys Workbench中的Bearingload命令将各个行星组件对应在相应轴承座上的重力加载在所述相应轴承座的周面上即可。此时对应在步骤六中对齿轮箱壳体的有限元模型施加的边界条件有：翻身吊耳61的固定约束和辅助吊耳的固定约束。
2.风电齿轮箱处于翻转45°的状态时
在上述步骤五中对有限元模型施加载荷的方式具体为：齿轮箱壳体重力的施加方式不变，各个行星组件对应在相应轴承座上的重力都被分解成两个大小相同的分量；两个分量中，一是作用在相应轴承座的端面上，通过Ansys Workbench中的Bearing load命令将行星组件对应的重力分量加载在对应轴承座的端面即可，二是作用在相应轴承座的周面上，通过Ansys Workbench中的Bearing load命令将行星组件对应的重力分量加载在对应轴承座的周面上即可。此时对应在步骤六中对齿轮箱壳体的有限元模型施加的边界条件有：翻身吊耳61的固定约束和辅助吊耳的固定约束。
3.风电齿轮箱翻转至竖直的状态时
在上述步骤五中对有限元模型施加载荷的方式具体为：齿轮箱壳体重力的施加方式不变，各个行星组件对应在相应轴承座上的重力均由所述相应轴承座的端面承担，所以通过Ansys Workbench中的Bearing load命令将各个行星组件对应在相应轴承座上的重力加载在所述相应轴承座的挡板端面即可。此时对应在步骤六中对齿轮箱壳体的有限元模型施加的边界条件有：翻身吊耳61的固定约束。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法，其特征在于，包括：
步骤一、在制图软件中建立齿轮箱壳体的几何模型；
步骤二、将齿轮箱壳体的几何模型导入有限元软件，建立有限元模型；
步骤三、在有限元软件中定义齿轮箱壳体各部件的单元类型均采用实体单元；
步骤四、定义齿轮箱壳体各部件的材料属性；
步骤五、对齿轮箱壳体的有限元模型施加载荷，包括齿轮箱壳体的重力和齿轮箱内部部件的重力；
步骤六、对齿轮箱壳体的有限元模型施加边界条件，包括翻身吊耳的固定约束和辅助吊耳的固定约束；
步骤七、将齿轮箱壳体的有限元模型提交至有限元软件进行求解，提取翻身吊耳上每一处的应力、应变，然后将提取的翻身吊耳上最大的应力、应变对比翻身吊耳材料的许用应力、许用应变得到用于校核风电齿轮箱的翻身吊耳的强度是否满足要求的对比结果；
步骤一中所述的齿轮箱壳体的部件至少包括：输入透盖、前箱体、一级齿圈、中箱体、二级齿圈、后箱体、三级齿圈、后箱盖和输出透盖；步骤四中定义齿轮箱壳体各部件的材料属性时，输入透盖、前箱体、中箱体、后箱体、后箱盖和输出透盖均采用QT400，一级齿圈、二级齿圈和三级齿圈均采用42CrMo；
步骤五所述的齿轮箱壳体的重力的施加通过有限元软件中的Standard EarthGravity命令实现，齿轮箱内部部件的重力根据预设的重力分配方法并通过有限元软件中的Bearing load命令加载到轴承座上；其中，轴承座为齿轮箱壳体的一部分；
所述齿轮箱内部部件包括一级行星组件、二级行星组件和三级行星组件，每个行星组件均对应不同的轴承座；所述预设的重力分配方法包括：
将一级行星组件、二级行星组件和三级行星组件分别看做单个整体，然后按单个整体的重量及重心位置计算相应的轴承座应该被分配到的重力；
每个行星组件的重量m及重心位置均为在三维软件Creo中测量得到；
每个行星组件均对应两个轴承座，在三维软件Creo中还分别测量得到每个行星组件的重心与对应两个轴承座的距离l1、l2；所述按单个整体的重量及重心位置计算相应的轴承座应该被分配到的重力包括：
根据二元一次方程组
求解得到F1和F2，其中，m为相应行星组件的重量，l1为该行星组件的重心与对应两个轴承座中其中一个轴承座的距离，l1为该行星组件的重心与对应两个轴承座中另一个轴承座的距离，F1为l1所对应的轴承座应该承担的重力，F2为l2所对应的轴承座应该承担的重力。
2.根据权利要求1所述的风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法，其特征在于，步骤二所述的有限元模型的各部件之间的连接关系均采用绑定连接。
3.根据权利要求1所述的风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法，其特征在于，还包括：
在至少三种工况下对翻身吊耳的强度进行校验，所述至少三种工况包括风电齿轮箱处于水平状态、风电齿轮箱处于翻转45°状态和风电齿轮箱处于竖直状态；
在风电齿轮箱处于水平状态的工况下，步骤五中将各个行星组件对应在相应轴承座上的重力加载在所述相应轴承座的周面上；
在风电齿轮箱处于翻转45°的工况下，步骤五中将各个行星组件对应在相应轴承座上的重力都分解成两个分量，两个分量中，一个加载在所述相应轴承座的端面上，另一个加载在所述相应轴承座的周面上；
在风电齿轮箱处于竖直状态的工况下，步骤五中将各个行星组件对应在相应轴承座上的重力加载在所述相应轴承座的端面上。
4.根据权利要求3所述的风电齿轮箱翻身吊耳强度校核方法，其特征在于，在风电齿轮箱处于水平状态和风电齿轮箱处于翻转45°的工况下，步骤六中对齿轮箱壳体的有限元模型施加的边界条件均为翻身吊耳的固定约束和辅助吊耳的固定约束；在风电齿轮箱处于竖直状态的工况下，步骤六中对齿轮箱壳体的有限元模型施加的边界条件为翻身吊耳的固定约束。
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