[发明专利]一种行星传动齿轮箱强度计算集成系统

权利要求书

1.一种行星传动齿轮箱强度计算集成系统，其特征在于：所述系统为基于Matlab开发的行星传动齿轮箱强度校核工具，主要用于风力发电机初期选型、认证以及后期的特定厂址结构强度评估，该工具区分有六大模块，分别为行星齿轮强度校核模块、螺栓强度校核模块、圆柱滚子轴承强度校核模块、花键强度校核模块、传动销强度校核模块以及功率损失与效率计算模块；其中：

所述行星齿轮强度校核模块，融入miner损伤理论，通过导入LDD载荷谱及其他输入所需的基本参数进行齿轮的损伤及寿命分析，求解齿面接触疲劳安全系数、齿根弯曲疲劳安全系数，并能够通过调节极限载荷与额定载荷的比例系数求解齿面接触静安全系数、齿根弯曲静安全系数；所述行星齿轮强度校核模块的情况如下：

1)行星齿轮强度校核模块依据GB3480为1997国家标准、同时结合ISO6336-2006国际标准中的更新部分进行编制，计算过程以国家标准为准；

轮齿的接触应力如下：

轮齿的许用接触应力：

σ_HP＝σ_{H lim}Z_NTZ_LZ_VZ_RZ_WZ_X (1.2)

载荷在单对齿啮合区外界点时，轮齿的弯曲应力：

载荷作用于齿顶时，轮齿的弯曲应力：

轮齿许用弯曲应力：

σ_FP＝σ_{F lim}Y_STY_NTY_δrelTY_RrelTY_X (1.5)

式1.1至1.5中，K_γ为均载系数，K_A为使用系数，K_V动载系数，K_Hβ为齿面接触齿向载荷分布系数，K_Hα为齿面接触齿间载荷分布系数，Z_E为弹性系数，Z_H为节点区域系数，Z_ε为齿面接触重合度系数，Z_β为齿面接触螺旋角系数，Z_(B/D)为小齿轮与大齿轮分别在啮合点B、D处的单对齿啮合系数，对于行星轮与内齿轮而言，Z_(B/D)取1，Z_NT为齿面接触寿命系数，考虑循环次数对强度，Z_L为润滑系数，Z_V速度系数，Z_R粗糙度系数，Z_W齿面工作硬化系数，Z_X为齿面接触尺寸系数，K_Fβ为齿根弯曲齿向载荷分布系数，K_Fα为齿根弯曲齿间载荷分布系数，Y_F为弯曲应力齿形系数，Y_Fa为弯曲应力齿形系数，Y_S为应力修正系数，Y_Sa为应力修正系数，Y_β为齿根弯曲螺旋角系数，Y_DT为齿深系数，Y_ST为弯曲强度计算的试验齿轮的应力修正系数，Y_NT为齿根弯曲寿命系数，Y_δrelT为相对齿根圆角敏感系数，Y_RrelT相对齿根表面状况系数，Y_X为齿根弯曲尺寸系数，F_t为啮合力，b为有效齿宽，d₁为节圆直径，u为齿数比，m_n为法向模数，σ_{H lim}为齿面接触名义应力，σ_{F lim}为齿根弯曲名义应力；

对接触疲劳强度而言，初始安全系数，即采用额定载荷下的齿面接触疲劳安全系数：

式中，σ_HPe为初始齿面接触应力，σ_He为初始齿面许用接触应力，S_He为初始齿面接触安全系数；

每个工况下的寿命系数为：

式中，σ_Hi为载荷谱中第i个工况下的齿面接触应力，σ_HPi为载荷谱中第i个工况下的许用齿面接触应力，Z_NTi为载荷谱中第i个工况下的寿命系数；

每个工况下的疲劳失效的循环次数：

N_i＝(Z_NTi)^exp2×N_Lref2 Z_NTi≤1 (1.9)

式中，N_Lref1为寿命系数大于1时的参考循环次数，N_Lref2为寿命系数小于1时的参考循环次数，exp1为寿命系数大于1时的指数，exp2为寿命系数小于1时的指数，这些值与材料的选取有关；

每个工况的损伤率：

式中，n_i为每个工况下的循环次数

总损伤：

2)模块参数的输入输出如下：

模块界面分为六部分：基本参数输入、强度校核系数、运行条件、其他要求、计算结果以及结果输出；

在基本参数输入中需要输入齿轮的模数、压力角、中心距、螺旋角、行星轮个数、齿数、齿顶高系数、顶系系数、齿宽、轮缘内腔直径、辐板厚度、精度等级、接触疲劳极限、弯曲疲劳极限、齿顶修形量、齿面粗糙度、齿根粗糙度、凸台高、刀具齿顶圆角、齿面硬度、齿端倒角以及插齿刀具这些参数信息；

在强度校核系数中需要输入动载系数、齿向载荷分布系数、齿间载荷分布系数、使用系数以及均载系数；

在运行条件中需要输入额定转速、额定扭矩、寿命要求、静载荷与额定载荷比以及润滑油运动粘度，同时导入载荷谱；

在其他要求中需要通过下列菜单进行定义变为系数的选择原则、侧隙的选择原则、有效硬化层计算方法、齿轮的连接方式、齿轮的传动形式、齿根应力计算方法、润滑油、是否考虑轮缘厚度的影响、动载系数是否自主计算、是否考虑重合度系数以及相应的材料热处理的选择；

在计算结果中输出最终计算结果，包括齿面接触疲劳安全系数、齿根弯曲疲劳安全系数、齿面接触静强度安全系数以及齿根弯曲静强度安全系数；

在结果输出中显示详细的计算结果的文件路径；

所述螺栓强度校核模块，通过输入所需的基本参数，能够针对标准螺栓以及非标螺栓精确的计算螺栓抗屈服安全系数、抗滑移安全系数、抗压安全系数、抗剪安全系数，同时为生产提供扭紧力矩；所述螺栓强度校核模块的情况如下：

1)对于标准螺栓，通过选择螺栓型号选择螺栓；对于非标螺栓，通过输入公称直径、螺栓小径、螺栓头与工件接触面处的外径、节圆直径、螺栓头侧的孔径来确定螺栓与连接件的结构尺寸；

2)计算过程如下：

2.1)由螺栓连接承受扭矩M_{T max}而产生的每个螺栓上的圆周力F_{Q max}：

式中，i为螺栓个数，D_t为螺栓分布圆直径；

2.2)确定拧紧系数α_A，拧紧系数的选择与螺栓的安装工具有关；

2.3)确定最小紧固作用力F_{ker f}：

F_{ker f}＝F_{Q max}/u (2.2)

式中，u为摩擦系数；

2.4)确定嵌入引起的预紧力的损失，包括：

螺栓的回弹δ_S：

δ_S＝δ_SK+δ₁+δ_Gew+δ_Gm (2.7)

式中，d为公称直径，E_s为螺栓弹性模量，E_M为带盲孔的被连接件弹性模量，A_N为工程面积，小径面积，l₁为螺杆的长度，l_Gew为剩余可加载螺纹长度，δ_SK为头部的回弹，δ₁为螺杆部位的回弹，δ_Gew为无负荷处螺纹的回弹，δ_G为螺栓螺纹小径处的，δ_M为螺母或工件盲孔处回弹，δ_Gm为螺母或螺纹处总回弹；

确定工件的回弹：

式中，d_w为螺栓头与工件接触面处的外径，d_h为被连接件的孔径，l_k为被夹持长度，为螺栓连接的圆锥体角度，E_p为被连接件弹性模量；

嵌入量f_z与材料、连接件数量有关；

预紧力的损耗F_z：

F_z＝f_z/(δ_s+δ_p) (2.9)

2.5)确定最小安装预紧力F_{M min}：

F_{M min}＝F_{ker f}+F_Z (2.10)

2.6)确定最大安装预紧力F_{M max}：

F_{M max}＝α_A·F_{M min} (2.11)

2.7)确定装配应力σ_rde,Mzul：

σ_rde,Mzul＝v·R_p0.2 (2.12)

式中，v为预紧力占屈服极限应力的百分比，R_p0.2为屈服极限应力；

确定装配预紧力：

F_Mzul＝A_s·v·R_p0.2 (2.13)

式中，A_s为应力截面面积；

2.8)工作载荷F_{S max}：

F_{S max}＝F_Mzul (2.14)

最大拉伸应力σ_{z max}：

σ_{z max}＝F_{S max}/A_s (2.15)

工作应力σ_red,B：

σ_red,B＝σ_{z max} (2.16)

抗屈服安全系数S_F：

S_F＝R_p0.2/σ_red,B (2.17)

2.9)最小支承面面积A_{p min}：

表面压应力p_{M max}：

抗压安全系数S_p：

2.10)最小预紧力F_{V min}：

抗滑移安全系数S_G：

滑移产生的最大剪切应力τ_max：

抗剪安全系数S_A：

2.11)确定拧紧力矩M_A：

式中，P为螺距，u_G为螺纹摩擦系数，u_k为承压面摩擦系，D_km为在螺栓头或螺母承载区域摩擦力矩的有效直径，d₂螺纹节圆直径；

3)模块参数的输入输出如下：

模块界面分为六部分：边界条件、螺栓结构尺寸、材料属性、被连接件结构、计算结果以及结果输出；

在边界条件中需要输入扭矩、螺栓性能等级、拧紧系数、屈服极限应力比、组合材料摩擦系数、螺栓个数、螺纹摩擦系数、承压面摩擦系数、螺母承压面摩擦系数、许用压应力、许用剪切应力、屈服极限以及强度极限，同时需要选择螺栓结果形式；

在螺栓结构尺寸中需要输入螺栓公称直径、小径、螺栓头部直径、中径、螺杆长度以及螺距，同时需要选择螺栓头形式；

在材料属性中需要分别输入螺栓弹性模量、螺母或材料弹性模量以及被连接件弹性模量；

在被连接件结构中需要输入夹持长度、螺栓分布节圆直径、两个连接件接触部分的内外径以及嵌入量；

在计算结果中输出最终计算结果，包括抗屈服安全系数、抗滑移安全系数、抗压安全系数、抗剪安全系数以及拧紧力矩值；

在结果输出模块中显示详细的计算结果报告的存放路径；

所述圆柱滚子轴承强度校核模块，融入载荷谱导入功能，自动对载荷谱进行等效处理，同时该模块中也融入行星系统的均载系数，能够更好的反应轴承的寿命；此外，根据所输基本参数，该模块能够同时输出一级行星轴承、二级行星轴承、行星架轴承的静强度结果与疲劳寿命结果；所述圆柱滚子轴承强度校核模块的情况如下：

根据ISO76/ISO281标准，进行圆柱滚子轴承的静强度与寿命计算；

1)LDD载荷谱处理成当量载荷T_eq如下：

式中，r_i为每个工况下的转数，T_i为每个工况下扭矩；

2)公式推导如下：

2.1)静强度安全系校核

式中，C_0r为轴承基本额定静载荷，P_or为轴承当量静载荷；

2.2)轴承的寿命校核

式中，a为疲劳指数、C_r为基本额定动载荷，P_r为当量动载荷，n平均转速；

3)模块参数的输入输出如下：

模块界面分为八部分：运行数据、行星架轴承、齿轮、一级行星轴承、二级行星轴承，静载荷、动载荷计算依据，计算结果以及结果输出；

在运行数据中需要输极限扭矩、额定扭矩、额定转速，同时导入载荷谱；

在行星架轴承中需要输入轴承的基本额定静载荷、基本额定静载荷、二级行星系统重量、轴承节圆直径、单排滚子数量、列数、滚子有效长度、滚子直径、滚子的接触角；

在齿轮中需要分别输入一级、二级齿轮的齿数；

在一级行星轴承中需要输入轴承的基本额定静载荷、基本额定静载荷、一级行星系统中心距离、行星轮个数、每个行星轮上轴承的个数、均载系数、轴承节圆直径、单排滚子数量、列数、滚子有效长度、滚子直径、滚子的接触角；

在二级行星轴承中需要输入轴承的基本额定静载荷、基本额定静载荷、二级行星系统中心距离、行星轮个数、每个行星轮上轴承的个数、均载系数、轴承节圆直径、单排滚子数量、列数、滚子有效长度、滚子直径、滚子的接触角；

在静载荷、动载荷计算依据中选择供应商提供或ISO标准计算；

在计算结果中输出最终计算结果，包括极限载荷的静安全系数、接触应力、额定载荷的接触应力、计算寿命，当量载荷的接触应力、计算寿命；

在结果输出模块中显示详细的计算结果报告的存放路径；

所述花键强度校核模块，通过花键的具体结构、受力状态、材料热处理与硬度、精度等级这些情况，校核花键的齿面接触强度、齿根弯曲强度、齿根剪切强度、齿面耐磨损能力；所述花键强度校核模块的情况如下：

根据GBT17855-1999标准，对花键的承载能力计算如下；

1)承载能力计算

1.1)齿面接触强度计算

[σ_H]＝σ_0.2/(S_H·K₁K₂K₃K₄) (4.2)

1.2)齿根弯曲强度计算

渐开线花键：

矩形花键：

[σ_F]＝σ_b/(S_F·K₁K₂K₃K₄) (4.5)

1.3)齿根剪切强度计算

τ_Fmax＝τ_tn·α_tn (4.6)

[τ_F]＝[σ_F]/2 (4.7)

1.4)齿面耐磨损能力计算

许用压应力：

[σ_H1]为花键副在10⁸次循环数下工作时的许用压应力，根据热处理及齿面平均硬度选择；

[σ_H2]＝n×布氏硬度值 (4.8)

1.5)外花键的扭转与弯曲强度计算

[σ_V]＝σ_0.2/(S_F·K₁K₂K₃K₄) (4.10)

式4.1-4.10中，σ_H为齿面接触压力，W为位单位载荷，h_w为工作齿高，σ_0.2为材料的屈服强度，S_H为齿面接触强度的计算安全系数，K₁为使用系数，K₂为齿侧间隙系数，K₃分配系数，K₄为轴向载荷偏载系数，[σ_H]为齿面许用压应力，α_D为标准压力角，S_Fn为弦齿厚，h为全齿高，σ_F为齿面压力角，[σ_F]为许用齿根弯曲应力，S_F为弯曲强度计算安全系数，σ_b为材料的拉伸强度，τ_{F max}为齿根最大剪切应力，τ_tn剪切应力，α_tn为应力集中系数，[τ_F]为许用剪切应力，[σ_H2]花键副长期工作无磨损的许用压应力，n为与热处理相关的系数，σ_v为当量应力σ_Fn为弯曲应力，τ_tn为剪切应力，[σ_V]为计算花键扭转与弯曲强度时的许用应力；

2)模块参数的输入输出如下：

模块界面分为五部分：基本参数、材料特征、运行条件及载荷系数、计算结果以及结果输出；

在基本参数中需要输轴和毂模数、压力角、螺旋角、齿根高系数、齿根圆角系数、齿顶高系数、公差等级、精度等级；

在材料特征中需要输入材料的屈服强度、抗拉强度、齿面磨损许用压应力、齿面许用压应力；

在运行条件及载荷系数中需要输入扭矩、使用系数、齿侧间隙系数、分配系数、轴向偏载系数；

在计算结果中输出最终计算结果，包括齿面压应力、齿根应力、齿根剪切应力、齿面磨损压应力；

在结果输出模块中显示详细的计算结果报告的存放路径；

所述传动销强度校核模块，通过输入所需的基本参数，能够对传动销的抗剪能力与相对薄弱件的挤压进行校核，同时该模块能够采用不同的屈服条件进行校核，包括米塞斯屈服条件和屈雷斯加屈服条件；所述传动销强度校核模块的情况如下：

1)公式推导如下

由于传动销仅承受扭矩作用，故单个传动销所受到的横向力为：

式中，F为单个螺栓横向力，T为极限扭矩，D_i为销所在中心直径，Z为销个数；

二级行星架剪切安全系数：

式5.2-5.4中，τ_p为确定的许用剪切应力，σ_s为销轴材料的屈服极限，a_s根据不同的屈服条件准则取值不一，米塞斯屈服条件a_s＝3^0.5，屈雷斯加屈服条件a_s＝2，τ为在横向力作用下的剪切应力，D为销外径，d为销内径，K₁为动载系数，K₂为均载系数；

最薄弱被连接件的挤压安全系数：

σ_R0.2＝1.15*τ_p' (5.6)

式5.5-5.8中，σ′_s为相对薄弱的被连接件的屈服极限，即许用剪切应力，σ_R0.2为相对薄弱的被连接件的许用挤压应力，P_s为作用在相对薄弱的被连接件上的压应力，l_s为作用在相对薄弱的被连接件内孔的有效长度，S_σ为最薄弱被连接件的挤压安全系数；

2)模块参数的输入输出如下：

模块界面分为三部分：基本参数、计算结果以及结果输出；

在基本参数中，用户需自定义基本参数，主要输入参数有输入极限扭矩、载荷系数、均载系数、销子个数、行星架孔深、法兰孔深、销外径、销内径、销分布圆直径、行星架屈服极限、花键法兰屈服极限与传动销屈服极限，同时屈服条件需要通过下列菜单进行相关参数的定义；

在计算结果中输出最终计算结果，包括销子的抗剪切安全系数与相对薄弱件的挤压安全系数；

在结果输出模块中显示详细的计算结果报告的存放路径；

所述功率损失与效率计算模块，用于对轴承的功率损失进行计算，同时结合齿轮功率损失来计算齿轮箱功率损失及齿轮箱效率；所述功率损失与效率计算模块的情况如下：

1)公式推导如下：

行星轴承空载转矩损耗：

式中，T_VL0为行星单级行星轮系统轴承空载转矩损耗，f₀为与轴承形式和轴承的润滑有关的系数，v_oil为运行温度下的润滑油运动粘度，n₁为行星轮转速，d_m轴承中径，k为单级行星轮系统行星轮个数，x为单个行星轮上行星轴承个数；

行星轴承负载转矩损耗：

对于径向负载的滚子轴承：

T_VLP2＝0 (6.4)

对于带附加轴向推力的滚子轴承：

式6.3-6.5中，f₁为参照标准选取的系数，P₁为单个行星轴承负载，a、b为与轴承的机构有关指数，T_VLP1径向负载轴承的功率损耗，T_VLP2轴向负载轴承的功率损耗，F_a为附加轴向推力；

由于行星架轴承计算没有k、x值，其余方法与行星轴承计算方法一致；

2)模块参数的输入输出如下：

模块界面分为四部分：基本参数、运行条件、计算结果以及结果输出；

在基本参数中，用户需要输入一级、二级行星系统的啮合单齿功率损失、内啮合单齿功率损失、行星轴承内径、行星轴承外径、内齿圈齿数、太阳轮齿数、中心距、行星轮个数、单个行星轮轴承个数、系数f₀、f₁、f₂，指数a、b，行星架轴承内径、行星架轴承外径；

在运行条件中输入转速、额定功率、运动粘度；

在计算结果中输出最终计算结果，包括一级行星轴承总功率损耗、二级行星轴承总功率损耗、行星架轴承总功率损耗、齿轮箱总功率损耗、齿轮箱效率；

在结果输出模块中显示详细的计算结果报告的存放路径。