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风电装备行星轮系过盈接触特性分析

向东，沈岗，朱戡，沈银华，蒋李(清华大学机械工程系，北京100084)风电装备行星轮系过盈接触特性分析向东，沈岗，朱戡，沈银华，蒋李(清华大学机械工程系，北京100084)

风力发电对于保障我国能源安全具有重大意义，但我国风电装备发展中还存在巨大技术瓶颈，如何进一步提高装备可靠性及寿命是亟需解决问题。以行星轮系过盈配合面接触特性与微动磨损关系为切入点，针对NGW型行星轮受力分析，计算获取过盈配合接触分析的载荷边界条件；通过对比不同过盈量在无外载工况下的配合面压力值，理论计算与仿真分析结果的平均误差约为5.74%，验证了仿真的可信度；通过对比不同过盈量在无外载下的变形量，行星轮内孔

面与轴承外圈变形占比分别为89.5%和10.5%，定量描述了行星轮相较于轴承的变形程度，更易损伤；稳态载荷工况下，通过对比不同配合公差P6和R6下的最大微动滑移量可知，P6公差带下最大微动量随载荷变化幅度较大，因此风电

行星轮配合公差应选R6更合适；非稳态载荷工况下，通过数值积分计算获取不同过盈量下的配合面打滑极限载荷，该极限值作为评定实际服役工况下出现剧烈“打滑现象”的准则，因此设计时应考虑该极限工况。

风电装备；过盈配合；配合公差：微动滑移；打滑现象

风力发电是国家能源安全的重要保障，近几年，风能开发在我国得到高速发展，目前风力发电已成为第三大主力电源。但我国风电装备发展中还存在巨大技术瓶颈，不稳定的阵风、频繁启停及低电压穿越等产生的瞬时载荷甚至超过设计载荷的3倍，恶化动力传动系统零部件关键接触面的性能，诱发失效，导致停机时间已占设计机时的23.9%，带来了巨大损失。

在风电齿轮箱行星轮系中，行星轮与轴承外圈往往采用过盈配合的形式。由于载荷波动，配合面会产生微动滑移现象，当外载波动程度较大时，甚至会出现打滑现象。该微动滑移或打滑现象往往会造成结合界面的微动磨损，影响装备的整体可靠性。针对过盈配合中微动滑移现象及其对结构性能的影响机制，不少学者开展了详细研究[1]。JUUMA[2]研究配合面接触应力和微动幅值对扭转微动疲劳极限的影响，发现随着接触压力增大，配合面间的滑移幅值降低，微动磨损也随之降低；GUTKIN等[3-4]研究过盈配合体在弯扭载荷下微动疲劳裂纹的扩展并与已有的实验数据对比分析，实验发现相对于纯弯矩作用，弯扭共同作用下的疲劳裂纹扩展寿命下降较大，约为50%；LEE等[5]研究循环弯矩作用下过盈配合接触面的微动磨损特征及表面形貌的演变，发现在疲劳循环初期

时，接触边界磨损量最大，随着循环的增加，磨损区域逐渐向内部移动；LANOUE等[6-8]研究了滑动幅值与微动疲劳极限之间关系，并对比分析几种不同的疲劳准则，发现DANGVAN准则较符合实际；ALFREDSSON[9]通过实验和仿

真结合方法研究过盈配合表面的微动演变，发现在单向滑移区和圆周滑移区出现了不同程度、不同形貌的磨损。

以上研究大多聚焦于过盈配合体受到扭矩作用时配合面的微动滑移及磨损问题上，由于风电装备行星轮与外圈、太阳轮啮合位置处受力方向相同，并未形成扭矩，因此行星轮与轴承配合面的微动特征与扭矩作用下的微动特征有一定区别，造成的磨损机理也有所差异，仍需进一步探究，本文正是基于这一点开展相关研究工作。

风电装备行星轮力学参数确定

开展行星轮内孔与轴承外圈过盈接触特性分析研究首先需要确定风电装备行星轮所受载荷参数。某型1.5MW齿轮箱几何参数如表1所示，由于风机实际运行中二级行星轮系的失效破坏较为严重，因此本文主要针对二级行星轮建立有限元模型开展过盈特性分析。风电二级行星轮系为NGW型行星传动，受力分析如图1所示。图中，X是行星架；C是行星轮；A是太阳轮；B是外齿圈；TX是输入扭矩；TA是反作用扭矩。对于行星轮C而言，FtBC是齿圈施加的圆周力；FtAC是太阳轮施加的圆周力；FrBC是齿圈施加的径向力；FrAC是太阳轮施加的径向力；Rx′C是销轴施加的支反力。各构件在输入扭矩作用下都处于平衡状态，构件间的作用力等于反作用力。已知二级行星轮行星架输入端扭矩为TX=1.65×105N·m，太阳轮输出端扭矩为TA=2.91×104N·m，根据力平衡条件计算的行星轮载荷参数为

(1)

图1二级行星轮受力分析Fig.1ForceAnalysisofsecondaryplanetgears

表1某型1.5MW齿轮箱几何参数Tab.1Geometricparametersof1.5MWgearbox

无外载下过盈配合接触特性分析

本文所涉及的1.5MW齿轮箱行星轮内孔与轴承外圈采用的