多工况下风电齿轮传动系统的动力学特性及其动态可靠性研究

摘要

随着全球环境恶化和能源危机的问题渐渐凸显，风力发电越来越受到重视。风力发电机长期运行在恶劣的环境当中，齿轮箱作为风能转换系统的核心部件，其运行的稳定性和可靠性对系统的可靠性影响非常大。风场随机变化的风速和变速变桨风力发电机的多工况控制运行是导致齿轮箱具有复杂输入载荷的主要原因。本文考虑到变速变桨风力发电机复杂的运行工况，仿真获得了风力发电机在启动、额定运行和正常制动三个工况下的齿轮箱输入载荷。研究了在不同工况下齿轮传动系统的动力学特性。并且仿真分析了变速变桨风力发电机齿轮传动系统的动态可靠性，获得了齿轮传动系统中齿轮、轴承和系统的可靠度随时间变化的规律。
　　本课题是国家自然科学基金项目（50975294）研究内容的组成部分，研究了1.5MW变速变桨风力发电机的多工况的运行模式，并以齿轮传动系统为主要研究对象，对其进行了动力学特性分析和可靠性的仿真分析。主要研究工作如下：
　　①综合考虑风轮的非定常气动载荷计算模型、传动系统弹性动力学简化模型、双馈发电机简化模型和变速变桨距控制模型的基础上，建立了变速变桨风力发电机传动系统外载荷计算模型，通过仿真计算获得了风力发电机在启动、额定运行和正常制动工况下齿轮箱的输入载荷。
　　②利用集中质量参数法建立了考虑多种内部因素的风力发电机传动系统纯扭转非线性动力学模型。利用数值方法求解系统动力学方程，得到了在启动、额定运行和制动过程中各齿轮副的动态响应等；着重分析了部分内部参数激励对动力学的影响。
　　③对变速变桨风力发电机齿轮传动系统进行动态可靠性仿真分析。在分析了齿轮及轴承失效的主要形式基础上，确定了风电传动系统的可靠性评估模型。在动力学方程中考虑轴承刚度的因素，利用数值方法求解得到轴承的动态接触力，从而获得各齿轮副和轴承的等效应力随风速变化的规律。
　　④利用威布尔风速模型模拟一年中每小时平均风速。以随机风速下各齿轮和轴承的等效应力作用过程为随机过程，考虑各构件载荷的统计相关性，在构件强度随时间退化的情况下，利用Monte Carlo法仿真获得了风电齿轮传动系统动态可靠度，得到了风电齿轮传动系统可靠度随时间变化的规律。

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1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 风力发电发展现状

1.3 齿轮系统动力学及可靠性研究状况

1.4 本文研究内容

2 风电齿轮传动系统动力学模型

2.1 引言

2.2 风电齿轮传动系统动力学模型

2.3 风电齿轮传动系统的内部激励

2.4 动力学方程中的其他参数

2.5 本章小结

3 风电齿轮传动系统内外部激励分析

3.1 引言

3.2 风电齿轮传动系统外部载荷计算模型

3.3 多工况下传动系统外载荷计算分析

3.4 齿轮传动系统的基本参数

3.5 风电齿轮传动系统内部激励计算分析

3.6 本章小结

4 多工况下风电齿轮传动系统的动力学特性分析

4.1 引言

4.2 系统方程的求解分析

4.3 风电齿轮传动系统的动力学特性分析

4.4 本章小结

5 随机风载下风电齿轮传动系统动态可靠性仿真分析

5.1 引言

5.2 风电齿轮传动系统动态时变可靠性模型建立

5.3 风电齿轮传动系统动态可靠性仿真分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录