提出一种测量齿轮根应变分布的方法,以及将测量转换成侧翼载荷分布的分析方法。

S.列车轨距通常用于获得负载强度分布在一个齿轮啮合的侧面。标准的方法包括在牙根安装一套量规,并测量那里的应变分布。为了得到齿侧的载荷分布,必须对应变数据进行处理,将其转化为齿侧的载荷强度分布。

1介绍

齿轮不对中是影响齿轮疲劳载荷的重要因素之一。由于齿轮啮合的高刚度,相对较小的不对中可能导致特定载荷的显著增加,这可能导致过早的齿轮故障。

许多技术被用于工业中,以确保良好的操作网格对准。从所有已知的方法,直接齿根应变测量横跨齿轮面宽提供了最准确的评估负荷强度分布。

标准IEC 61400 -第4部分规定了风力涡轮机齿轮箱的设计要求,并广泛用于风力涡轮机行业的认证目的。从2012年版本开始,在每个加载步骤中,必须使用齿根应变计测量齿轮面负载分布(第8.3.3节)。变速箱原型的车间测试)。然而,本标准并没有对应该如何执行这些测量提供任何澄清。

本文的目的是描述Gamesa能量传输和仪器辅助仪JRD传输动力学开发的方法,以评估齿轮根部应变仪测量的齿轮网载力强度分布。这种方法已经使用风力涡轮机齿轮箱开发,但作者认为它也适用于其他行业的其他高负荷的齿轮系统。

本文中描述的实验方法得到了不同分析研究的支持。第3节描述了建立应变片位置所进行的分析工作。第4节描述了测量信号的数据处理,第5节描述了从测量的应变分布到解析推导的齿轮侧面载荷分布的转换。

本文的最终目标是显示对载荷强度分布因子的评估的实验方法。

2系统概述

2.1背景

在理想化的齿轮对中,面部宽度的负载强度分布是均匀的。利用相对较高的网格刚度,相对较小的未对准将导致负载强度的显着变化,从而降低有效面宽度和增加的特定齿轮载荷。

ISO 6336-1通过引入纵向负载分布因子来涉及齿轮对准误差的影响K.Hβ,对表面应力定义为:

在哪里

F是侧翼载荷。

B.是齿轮侧面宽度。

Fm的平均横向切向载荷是
参考圆。

FT.为横向荷载。

K.一种是应用因素。

K.V.是动态因素。

在实践中,接触压力σH和弯曲压力σF依靠几个K.因素并描述如下[3]:

在哪里

K.HβK.Fβ是否有面荷载分布
因素(接触压力和弯曲
压力)。

K.HαK.Fα是横向载荷因素吗
(接触应力和弯曲应力)。

σF0.是标称接触应力。

σF0.是标称齿根应力。

σ惠普σ《外交政策》是允许的应力(接触和弯曲)。

Z.是小齿轮/车轮的单副齿接触。

可以看出,对于给定对,齿轮应力(和因此齿轮寿命)尺寸尺寸尺寸依赖性取决于面部的负荷分布,这受到齿轮未对准的强烈影响。

本文描述了导出的方法K.Hβ从应变仪测量。第4节对应变片信号进行数据处理,得到应变沿齿根的分布情况。作者将这种应变分布命名为K.εβ

K.εβ为应变根分布因子。

在哪里

ε是牙根的张力。

B.是齿轮侧面宽度。

2.2变速箱/齿轮级说明

在本研究中,所有的讨论都是基于额定功率3.3Mw,齿轮箱总重量29.5吨,输入转速10.53 rpm的风力发电机齿轮箱的第一外周级。表1显示了这个齿轮级的一般描述。

表1:齿轮级数据。

2.3测量系统概述

必须安装具有应变仪的电子系统以测量齿轮面宽度的应变分布。必须沿着面宽度放置合适数量的应变仪。第3节讨论应变仪的数量和定位。

基于每个测量仪的高频时域应变计的读数,对应于每个啮合接合的峰 - 峰值电压被提取,并且结果示于应变分布的形式产生K.εβ(请参阅第2.1节中的定义)。

图1至5显示了应变仪系统安装的详细信息。

图1:应变仪放置在行星齿轮上。
图2:齿圈应变计放置。
图3:电子模块在环形齿轮外部的位置。
图4:应变片放置在太阳齿轮的例子。
图5:环形齿轮电缆布线。

2.4遥测系统电子

该系统采用JRD传动动力学公司专门开发的齿轮对准电子模块。该模块配备8通道同步采集、应变调节和低噪声12位ADC转换器。模块的数量被使用取决于齿轮的大小和齿轮的数量被测量。

齿轮对准模块可以从多达8个应变仪上同时获取数据,这些应变仪安装在齿轮齿根的宽度上,每个通道高达14 kHz (112 kHz聚合数据率)。捕获的数据可以使用定制的软件进行分析,也可以导出用于外部评估。

所有模块都配备了数字蓝牙系统,可用于无线数据传输和通信。通过串行通信顺序地执行数据传送到主计算机。

2.5数据采集

每个遥测模块的采集遵循以下步骤:在模拟级中的信号调节后,数字电路将所有8个通道的模拟信号转换为在定义的采集时间期间向数字流进行数字流,并将其存储在船上的内存中。根据用户需求,可以将此数据下载到主机。下载一个模块的数据后,可以激活另一个模块,因此可以启动新的采集。数据采集​​是一个顺序过程;通过模块获取并传输到主计算机模块的数据。

每个应变计以四分之一桥接配置连接。考虑该配置,考虑到可以同时测量的通道数量的限制以及该特定应用中的温度效果可忽略的效果。油槽温度通常低于60°C,一旦齿轮箱在稳定的热条件下,就会采取应变计读数。

数据采集是通过仪器合作伙伴开发的专有软件进行的。软件允许用户定义数据采集参数:采样频率和采样次数(采集时间)。这些参数应该仔细选择。采样频率必须足够高,以便能够用足够的样本分析每个网格事件。对于行星级齿轮,每个网格事件至少需要30个点,这通常导致采样频率在2000 hz到4000 hz范围内。另一方面,样本的数量必须足够大,以覆盖足够多的网格事件;8到10转的输入行星载体已发现,以提供满意的结果。

3应变片定位

3.1介绍

本文档中描述的所有仪器策略都是通过面向应答下一个问题的不同分析来支持:

1。在牙根轮廓上安装的是安装的仪表?

2。侧翼上有多少个仪表?

3。哪个组件到仪器上是在行星齿轮阶段?

3.1.1在牙根轮廓上安装的仪表?

齿轮齿用作悬臂梁,其中施加横向载荷,并且在根据ISO 6336根据ISO 6336标记为30度切线标记的综述部分中最大的拉伸牵引力和压缩应力。该应变将是这些点的最高值;然而,技术困难和功能性(齿轮互锁)表明它不建议在这些区域安装仪表。另外,由于仪表的安装变得至关重要,必须考虑最大牵引点附近的电压梯度。小定位误差可能导致更高的测量误差。

因此,压力表安装在齿的底部(见图6),那里的变形不是最大的,但它们足够大,以获取读数,不呈现像在30度切线的关键区域的变化。在第3.2节中,有一项分析研究支持前面的评论。

图6:应变计定位在齿轮齿根中。

重要的是表明规格拉伸读数后方将被另一个压缩读数随后是由于齿轮网的继承。在齿之间的中心平面中安装应变仪对拉伸和压缩应变具有类似的敏感性。网格循环产生峰值峰值读数,其提供更高的精度,可以减轻通过安装没有与牙根根对齐的规格而引起的一些可能的误差。

3.1.2有多少仪表在侧面?

通过在所需的精度,可用空间和安装时间和成本之间建立妥协,决定要安装在每个根中的仪表数量。对于典型的齿轮尺寸和B./mN在风力涡轮机齿轮箱中使用的比率,已经发现横跨齿轮宽度间隔的8个仪表产生令人满意的结果。

一个通常产生的齿轮侧面微几何遵循下一个图(见图7)。

图7:标准齿轮侧面微几何

根据作者的经验,应在端面泄压区(bER)上至少安装一个压力表,以准确测量端面泄压区泄压量。其余应变片的间隔相等,以覆盖其余齿轮面宽度。

3.1.3仪器的哪个组件是在行星齿轮阶段?

行星阶段的载荷分布分析分为齿圈与行星啮合的载荷分布和太阳轮与行星啮合的载荷分布。

有两种替代可能性(对于行星齿轮阶段):

一个。在太阳和环形齿轮上安装应变片(每个应变片信号只有相应的啮合事件)。

在行星齿轮上安装应变计(两个网格事件在同一应变计信号中出现)。

有关仪器仪表的便利性,请参见第3.3节。

3.2应变仪位置误差和角度位置误差在齿轮根应变测量中的影响

作为对测量系统/策略定义的补充以及在安装任何规格之前,完成了基于当前示例的齿​​轮部件的FE研究。这里分析了太阳齿轮箱。

Fe方法允许我们在确定的负载条件下获得固体表面的应力和应变分布。使用固体元素啮合体,它们的表面覆盖使用膜元件。这些膜元件作为规格系统工作。

实仪安装有与测量点的位置和方向相关的相关错误。FE分析用于量化此错误。

3.2.1 FE模型描述

图8显示了以太阳齿轮为例的有限元模型视图。采用Abaqus 6.14软件进行建模。

图8:FE模型(左:常规视图。右:详细视图)。

模型的主要特征/假设:

  • 固体元素的组合+壳体元件的盖子作用为仪表系统。用于网格尺寸的质量检查。
  • 对称应用。只有三分之一的太阳齿轮组件是啮合的,因为它是一个有三个行星齿轮的行星系统的一部分。
  • 调整齿廓中的网格密度,使其具有足够的代表性直径以引入负载。沿齿轮侧面(直齿圆柱齿轮)的直线负载应用。
  • 壳单元用于应力/应变报告,利用了这类单元的性质。值是根据元素坐标系计算的。请参阅[8]了解外壳元素的定义。这些元素适合于分析:

轴1:切向方向。它也垂直于侧面齿轮。

轴2:太阳齿轮的轴向方向。

轴3:正常到膜元件的表面。

轴3的结果是零的,因为膜元件不能支持正常载荷,菌株或应力。这提高了结果的质量,因为它避免了从固体元素的欧拉节点产生的外推生成的错误。

3.2.2量规定位误差

如第3.1.1节介绍,根部的最高应变由ISO 6336-1定义。FEM模型已用于特定负载条件下的应变分布分析。图9(左侧)显示了应变分布颜色图。

图9:FEM(太阳齿轮)。应变E11。

图9(右)显示齿根网上邻居节点之间的应变差异。在图中,轴向轴线对应与齿面宽度,和角轴线与在齿根的角位置对应(底部节点 - 0度时,齿根的端 - 1.3度)。等式5用于计算节点之间的应变差:

在哪里

ε一世节点I(下节点)的应变。

εI + 1节点I + 1(邻近节点的邻近节点左侧和
右)。

根据图9(右),齿根的应变差低于关键部分。

为了更好地理解先前的陈述,对根和临界部分的递增次数为轴向位置。假设±1mm的定位误差。将错位应变计的应变与理想定位的应变计进行比较。根据图10中的结果,临界部分中的切向定位误差的效果比齿根的效果大10倍。

图10:切向定位误差的影响(DF =齿根直径,直流=临界截面直径。)

需要注意的是,为了得到前面的图片,计算一个完整的啮合周期,在不同直径加载齿轮和计算相同的牙根,同时产生的牵引和压缩的啮合演变。

此外,还评估了角定位误差的影响。有限元模型特定节点处的应变张量描述如下:

地点:

ε11.是垂直于牙齿的方向上的应变。

ε22.是沿牙根方向的应变。

ε12.是横向术语。

实际的量规系统在每个位置只使用一个量规,并且它是相对于ε11.。的价值ε22.被认为是低的,因为在这个方向上没有施加负载,但是ε12.可以是重要的,因为它与扭转产生的齿轮组件。

当量规的轴由于角度定位误差而没有按照理论方向充分定向时,应变张量的交叉项将影响量规的读数。

为了评估这种效果,对理想的应变张量的虚拟旋转已经应用如下:

地点:

R.是旋转矩阵。

α是误差角度。

ε'是旋转的应变张量。

ε为原始应变张量。

ε'11.是由仪表测量的应变,具有角度定位误差。

在分析中,假设了5°的角定位误差。牙根的计算误差与临界截面的计算误差如图11所示。

图11:角度定位误差的影响。(df =牙根直径,dc =临界截面直径)

图11显示了临界截面受角度定位误差的影响更大。此外,必须注意的是,从角度定位误差的角度来看,负载下扭矩较小的齿轮组件将更加健壮。

基于这些分析,选择齿根作为应变计安装的最适当的位置。

3.3外摆线齿轮级齿轮接触演化。

已经基于本文件研究的风力涡轮机齿轮箱的ROMAX模型进行了对齿轮触点的详细分析。(图12)

图12:变速箱ROMAX模型。

虚拟齿轮箱包含了真实齿轮箱中的所有元素——轴、轴承、齿轮和外壳——从刚度分布的角度来看,这些元素在某种程度上导致了齿轮接触不对准。

该虚拟模型用于预测特定载荷情况下各齿轮接触的啮合偏差。

图13和图14显示了不同的接触模式预测沿一个完整的行星载体旋转。单位长度负载标绘,两个视图都是从转子侧到发电机侧:

图13:环形 - 行星接触图案进化。
图14:太阳-行星接触模式演化。
图15:行星齿轮模块的时间波形示例

根据先前的结果,在确定仪器的齿轮组件时必须特别小心。由于齿圈是静态部件,所以通过齿圈中的仪表齿轮捕获的信息是相关的,这意味着,根据您选择的位置,您将具有相应的应变分布,并且每次都会相同星球通过。这是这些测量是否将用于微格测定值更新的重要性。作者的提议是定位和仪器,其中预期接触模式的齿轮齿。

在太阳或行星齿轮的情况下,接触沿着与旋转相关的面宽度移动的事实是通过获得足够的网格周期来覆盖所有的变化。然后可以得到平均分布和最坏情况分布。

基于这些分析,作者决定在行星齿轮中安装应变仪。

暴露的结论被认为是有效的具体情况下,所研究的风力发电机齿轮箱。齿轮箱的边界条件,与周围环境的连接,重力等,直接影响系统的变形方式,因此,如何齿轮接触的行为。强烈建议对其他案例进行专门研究。

4数据处理和结果

在不同载荷水平下,齿轮啮合强度分布的测量是评估齿轮啮合强度分布的重要方法。测试中的Gamesa能源传输标准运行包含6个扭矩级别,可用于应变测量。此外,如果可能的话,还可以测量过扭矩条件。运行速度的影响被认为是可以忽略的,所以公称速度用于所有的测量。

当应变片安装在行星上时,在时间波形中可以观察到两个不同的啮合周期;一个对应与环齿轮的啮合,另一个对应与太阳齿轮的啮合。在与齿圈啮合时,行星充当一个从动齿轮;因此,在网格比赛开始时,量规首先处于牵引(正信号)状态,然后处于压缩(负信号)状态。在与太阳的啮合中,行星齿轮起着驱动的作用;因此,轨距首先处于压缩状态(负信号),然后处于牵引状态(正信号)。这可以用来识别环和太阳齿轮的啮合。

所有8个通道同时采集数据。可以比较单个网格事件中的峰值与峰值,从而生成每个网格事件的负载分布模式。然后这些网格事件被叠加。这些结果可以在图16和图17中看到。Astute®软件提供了一个分析工具,自动检测峰和计算峰到峰值。然而,一旦原始时域应变片信号可用,这种分析也可以在非专有软件上执行。

图16:行星环网载荷强度分布测量示例。
图17:行星 - 太阳网格载荷强度分布测量示例

可以看出,网格分布是动态变化的;经过足够多的旋转,可以找到平均和最坏情况的网格事件。为了与理论模型相关联和确定微观几何优化,考虑了平均网格分布。这是通过平均每个应变片的峰值到峰值数据,并计算平均值的网格分布来实现的。图18显示了环形网格和太阳网格的平均应变分布。从这些分布,K.εβ根据第2.1节中的定义计算因素。

图18:环形和太阳网的平均负载分布。

对于不同的扭矩级别重复相同的步骤。图19为不同应变网格分布,图20为对应的应变网格分布K.εβ价值观。

图19:不同载荷阶段齿轮啮合强度分布(太阳网格)。
图20:Kεβ随载荷的变化。

5.K.εβK.Hβ转换方法

前几节展示了一种测量应变分布的方法(K.εβ)当齿轮在负载下啮合时齿轮根。为了K.Hβ,需要计算以将该数据转换为齿轮侧面的负载分布。相应齿轮组件的有限元模型用于获得下一个方程的k因子,该方程式在侧翼中具有负载分布的根部涉及具有负荷分布的根部。见图21。

在哪里

ε一世为i规应变。

K.ijI-Location和A在J-Location应用的力之间是刚度关系。

Fj是在j位置应用的力。

N是应变片的数量。

图21:Kεβ到KHβ转换的有限元模型。
图22:底部节点处的应变输出。

采用相同的有限元模型,验证了线性假设,对不同齿径的齿轮进行均匀加载。图22显示了不同载荷情况下齿根处的应变分布。根3是受牵引的根,根4是受压迫的根。

如图22所示,应变曲线的形状非常相似;主要区别是应变水平。基于此,刚度矩阵上的刚度分量应该是线性的。

用于计算K.ij因素,有限元模型是在加载单齿接触的最高点与已知载荷分配到若干载荷点等于量规的数量。

下图示出了每个负载壳体的底部直径的节点处的应变变形(E11)。这种变形是正常的侧面齿轮,并且每个负载步骤都有一个曲线。

图23:离散加载下底部节点的应变输出。

在图23中,连续线是在牵引负载下的根目的的结果,并且虚线是压缩下的根目的的结果。每个载荷壳体和每个测量位置的牵引+压缩的组合允许其填充等式10中的刚度矩阵。

基于测量的应变分布和矩阵[k],可以求解等式10以获得负载分布。一旦这个负载分布是已知的,K.Hβ根据等式1计算。

6未来的工作

确定了未来研究的几个有趣的主题。其中包括:

  • 完全了解No-网状条件下的应变计信号,即由薄壁部件(环和行星)中的箍应力引起的应变的影响。
  • 动态变化的齿轮啮合对中与齿轮箱振动之间的相关性。
  • 测量风力机运行时不同负荷条件下的负荷强度分布,如紧急停机、低风工况、主动变桨距控制。
  • 负载分布测量的条件监测应用。

7结论

标准IEC 61400 - 第4部分建立了风力涡轮机齿轮箱的设计要求,广泛用于风力涡轮机行业,以进行认证。从2012年版本,使用齿根应变仪在每个负载步骤中进行齿轮面负载分布的测量是强制性的。然而,本标准并没有对应该如何执行这些测量提供任何澄清。

在本文中,一种测量齿轮根应变分布的方法(K.εβ)。一种将这些测量结果转化为侧荷载分布的解析方法(K.Hβ)已经呈现。

此外,还分析了应变片位置误差和角度误差对根部应变分布测量的影响。

参考文献

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印在版权所有持有人,美国装备制造商协会,1001 N. Fairfax Street,Suite 500,Alexandria,弗吉尼亚州22314.本文提出的陈述是作者的陈述,可能不会代表美国装备的职位或意见制造商协会。(AGMA)本文于2018年9月在伊利诺伊州奥克鲁克·奥克布鲁克秋季技术会议上提交。18ftm12.