當前，化石燃料成本的提高和國際上對氣候變化的關注,促使許多國家的政府通過政策和加強監管力度,積極設法增加可再生能源在總電力供應的百分比份額。近幾年，國內風電行業快速發展，使得與之相關的風電裝備制造業呈現出蓬勃發展的前景。在風能產業快速的增長的同時, 變速箱作為風力發電機組技術含量最高且最昂貴部件之一，其表現出比預期高的故障率一直困擾著風電產業的發展，如何降低其生產制造成本也一直是各大風電主機廠與部件廠所關注的問題。

考慮到風機極高的樣機制作成本， CAE仿真在開發過程中以其獨特的優勢也越來越多受到各主機廠的重視。仿真除了可以大幅降低成本以外，還可在風機設計時進行更多變參設計以尋找最優設計方案，同時完善的計算模型也可確保結果的準確性以及實際情況的高度還原，大大縮短每個設計周期的時間。

滑動軸承的引入可以極大降低齒輪箱的成本、增加齒輪箱壽命，減少維護頻次。但滑動軸承的設計也為風機齒輪箱企業帶來了挑戰，不佳的設計可能適得其反，增加失效風險。

AVL EXCITE軟件作為一款專業的多體動力學分析軟件，基于其柔性多體模型與非線性接觸模型，可以詳細考慮齒輪柔性變形與宏觀及微觀齒輪參數以及滑動軸承彈性液力潤滑接觸，用于風機齒輪嚙合分析、滑動軸承潤滑分析、整機NVH分析以及可靠性分析等。國內外諸多風機企業也已將該分析任務集成到其產品開發與設計中。

▲ 圖1：EXCITE 風機動力學模型

EXCITE軟件風機模型建模特點

EXCITE風機總成模型可詳細考慮風機各個子系統的相互影響，可基于其真實的載荷邊界對其進行準確的多體動力學計算。EXCITE風機模型建模特點如下：

所有結構體均可采用三維全柔性體縮減模型。考慮零部件動態變形對于齒輪嚙合、軸承受力等影響。

可準確考慮齒輪嚙合影響：考慮齒輪宏觀與微觀修形參數對于齒輪嚙合影響。

詳細的電機模型：基于電磁場分析結果，可建立詳細的電機物理模型，實現電機不同轉速，不同扭矩的控制，同時NVH計算過程中也可考慮電機電磁激勵的影響。

基于真實的載荷邊界：動力學模型可基于測試或仿真的載荷邊界，用以驅動整個模型。

EXCITE軟件風機模型應用方向

由上可知，EXCITE軟件基于液力潤滑理論，可對滑動軸承潤滑進行相應的仿真。一方面，模型中可以考慮軸承表面微觀粗糙度因素，另一方面，模型也可以考慮軸承表面加工幾何形貌的作用以及不同供油邊界的影響，如圖7中，該模型中定義行星齒輪軸向鼓型形貌，可以一定程度減小軸承偏載。對于不同形式的供油邊界，軟件中也可以如圖8所示進行相應的設置。

圖9對應某三行星輪軸承EHD分析結果，通過軸承接觸總壓以及粗糙接觸壓力很直觀可以看出，當前軸承左右兩邊偏載較為嚴重，軸承左右邊緣位置出現局部熱載集中現象，可能存在軸承局部過熱導致燒瓦。

基于EHD接觸壓力分布結果，結合Archard磨損分析模型，亦可計算軸承表面磨損分布。如圖10所示，由于軸承邊緣偏載較為嚴重，對應軸承邊緣出現比較明顯的磨損。通過對軸的形線進行優化后，可以看出優化后的粗糙接觸壓力以及磨損量均明顯降低。

軸承表面接觸總壓亦可用于有限元分析計算邊界，通過在行星軸上映射軸承壓力載荷，可分析軸承兩端過盈配合接觸面滑移，考慮行星架與行星銷松脫，考慮非線性的真實行星架變形等等。

通過定義詳細齒輪宏觀與微觀修形數據，結合動力學計算結果，同時考慮軸、齒輪、殼體柔性變形的影響，可以準確計算齒輪表面嚙合情況。

圖13為齒輪嚙合過程中齒面嚙合壓力分布圖，結合嚙合壓力分布圖及軟件所計算的齒面載荷分布系數，可用于指導后期齒面修形設計。結合系統模型，可準確計算齒輪系統功率損失以及傳遞誤差。

結合整機總成模型，考慮風機工作過程中風力的影響，在風扇加速過程中，可計算各部件轉速變化以及受載變化，同時也可考慮系統各部件的瞬時沖擊。圖16為某風機在穩定葉扇加速過程中伺服電機轉速以及扭矩載荷變化情況。整個啟動過程中各部件轉速存在較大的波動，同時發電機轉子在轉速穩定瞬間存在一個較為明顯的轉速沖擊。

對于非穩態工況，如極端陣風或風力暫停等運行工況，綜合系統彎扭耦合作用以及電機單元控制，可計算各部轉速扭矩變化情況，用以評估系統可靠性。

基于整機動力學模型，可計算各部連接副對應的受力，繼而結合縮減子結構恢復矩陣，可得到整個機體振動噪聲情況，圖18 為殼體表面振動速度云圖，從圖中即可直觀的看到殼體表面不同位置處的振動情況。

圖19為伺服電機殼體表面的振動加速度曲線與云圖，一方面該值可直接與殼體表面振動加速度測試結果進行相應的對比，另一方面也可指導殼體對應的設計。從圖中可看出當前伺服電機在某些頻率段存在明顯的共振。后期需對其進行相應的設計優化。

結合動力學分析結果，可計算各部件不同時刻的受力情況，基于有限元線性載荷計算或模態應力恢復計算方法，可快速計算風機系統中各個部件在不同時刻的應力分布情況。

總結

基于EXCITE軟件平臺，可構建完整詳細風機系統動力學模型，可對于風機模型中滑動軸承潤滑以及摩擦磨損進行準確的計算，同時對于齒輪嚙合、軸系扭振計算、NVH特性以及可靠性進行相應的仿真。

希望以上信息對廣大有風機總成設計和分析需求的用戶有所幫助，如有任何問題，也歡迎發送郵件至我們的技術支持郵箱Mechanical_support_china@avl.com進行咨詢。