6-2MW齿轮箱传动系统扭振特性分析

第六章 齿轮箱传动系统扭振特性分析

6.1 齿轮箱整机模态分析模型建立

扭振是关于齿轮箱传动系统激励频率对固有频率影响程度的计算，反映了系统是否存在谐振(共振)的危险程度，主要与系统各组成件的转动惯量和扭转刚度有关。因此需要齿轮箱进行模态分析，并计算齿轮箱传动链的扭转刚度和阻尼。本章根据Romax软件建立2MW风电齿轮箱系统分析模型，分析系统的整机模态特性。

在建立2MW风电齿轮箱整机模态分析模型时，轴与箱体之间按照实际设计图纸连接滚动轴承。

考虑到实际工作过程中，由行星架输入，内齿圈与箱体、箱盖通过螺栓紧密地连接在一起，不允许有任何相对运动，建模时通过编辑有限元节点连接将各箱体按照实际连接在一起，并在行星架的支撑臂上施加刚性约束。风电齿轮箱三维模型如图6.1.1所示。

   

(a) 箱体三维模型                (b) 传动链模型              (C) 整机模型

图6.1.1 2MW风电齿轮箱三维模型

6.2 模态分析结果

对整机进行模态分析，提取整机前20阶模态频率，表6.2.1给出了2MW风电齿轮箱前20阶模态的振动固有频率及对应各阶振型描述。

表6.2.1  整机模态分析结果

阶数	频率(Hz)	振型描述
1	15.0	行星架沿正X轴摆动
2	17.5	箱体沿Y轴拉伸变形，行星架沿负Y轴摆动
3	29.0	太阳轮轴沿负Y轴摆动
4	38.4	太阳轮轴沿正Y轴摆动
5	44.7	两个行星轮沿负Z轴向摆动
6	46.1	两个行星轮沿正Z轴向摆动
7	50.0	一个行星轮沿正Z轴向摆动
8	70.6	箱体、输出轴沿X轴正向摆动
9	81.5	中间空心轴、太阳轮轴沿X向摆动
10	118.2	行星架沿Z向扭转
11	136.6	中间级空心轴、太阳轮轴沿Y轴正向摆动
12	167.4	中间级齿轮轴沿负X轴摆动
13	187.8	中间级齿轮轴、中间级空心轴沿Y向摆动
14	193.5	中间级齿轮轴、输出齿轮轴沿Z向扭转
15	196.5	中间级齿轮轴沿Y向扭转
16	207.9	中间级齿轮轴、输出齿轮轴沿X向摆动
17	218.7	输出齿轮轴沿负Y向摆动
18	231.4	输出齿轮轴沿负X向摆动
19	248.5	输出齿轮轴沿Y向扭转
20	274.6	输出齿轮轴沿负Y向摆动

各阶模态频率对应的齿轮箱振型图如图6.2.1-图6.2.20所示。图中坐标方向均与图6.1.1保持一致，为更好观察齿轮箱内部结构，部分图未显示齿轮箱箱体。

图6.2.1  1阶模态振型                    图6.2.2  2阶模态振型

图6.2.3  3阶模态振型                    图6.2.4  4阶模态振型

图6.2.5  5阶模态振型                    图6.2.6  6阶模态振型

图6.2.7  7阶模态振型                    图6.2.8  8阶模态振型

图6.2.9  9阶模态振型                    图6.2.10  10阶模态振型

图6.2.11  11阶模态振型                    图6.2.12  12阶模态振型

图6.2.13  13阶模态振型                    图6.2.14  14阶模态振型

图6.2.15  15阶模态振型                    图6.2.16  16阶模态振型

图6.2.17  17阶模态振型                    图6.2.18  18阶模态振型

图6.2.19  19阶模态振型                       图6.2.20  20阶模态振型

从图6.2.1-6.2.20可以看出，1阶模态振型偏移量最大值出现在行星架的左上端；2阶模态振型偏移量最大值出现在输出轴的末端，同时箱体后端部偏移量也很大；3、 4阶模态振型偏移量最大值出现在太阳轮轴的前端；5、6、7阶模态振型偏移量最大值出现在行星齿轮上； 8阶模态振型偏移量最大值均出现在输出齿轮轴处，同时箱体后端靠近中间齿轮轴出偏移量也很大；9阶模态振型偏移量最大值出现在中间空心轴的末端处；10阶模态振型偏移量最大值出现在行星架的两端；11阶模态振型偏移量最大值出现在太阳轮轴的中部；12阶模态振型偏移量最大值出现在中间齿轮轴的前端；13阶模态振型偏移量最大值出现在中间齿轮轴的末端；14阶模态振型偏移量最大值出现在输出齿轮轴末端处；15阶模态振型偏移量最大值出现在中间齿轮轴的前端；16、17、18阶模态振型偏移量最大值出现在输出齿轮轴末端处； 19阶模态振型偏移量最大值出现输出齿轮轴中部；20阶模态振型偏移量最大值出现输出齿轮轴的末端。

6.3 小结

风机的额定输入转速为13.7 r/min，在额定输入转速下各轴的轴频如表6.3.1所示，齿轮啮合频率如表6.3.2所示。

表6.3.1  轴频

轴	轴频(Hz)	轴	轴频(Hz)
输入行星架	0.228	太阳轴	1.442
行星齿轮轴1	0.685	中间空心轴	1.442
行星齿轮轴2	0.685	中间级齿轮轴	6.937
行星齿轮轴3	0.685	输出齿轮轴	29.963

表6.3.2  齿轮啮合频率

啮合齿对	啮频(Hz)	啮合齿对	啮频(Hz)
行星轮-太阳轮	27.4	中间级齿轮	145.677
行星轮-太阳轮	27.4	输出级齿轮	749.075
行星轮太阳轮	27.4	-	-

根据表6.3.1、表6.3.2可知，在额定工作转速条件下，太原重工股份有限公司2MW风电齿轮箱轴频与齿轮啮频均远离各阶模态固有频率，不会产生共振。虽然输出级齿轮轴轴频29.963Hz与系统第三阶固有频率29.0较为接近，但其对应的模态频率阶次较高，在实际中其振型对系统结构的振动影响较小，对整个系统不会产生较大的危害。