风力发电机齿轮传动系统变载荷动力学特性研究

摘要

风力发电作为可再生能源的一种重要形式，受到世界各国的广泛关注。风力发电机运行时，由于风轮转速远远低于发电所要求的转速，从而多采用齿轮传动增速箱实现风轮与发电机的运动和动力传递。齿轮传动增速箱作为风力发电机的重要部件，工作于复杂变载荷的恶劣环境，且处于高空架设状态，维修不便，对运行稳定性和可靠性有较高的要求。因此研究变载荷条件下风力发电机齿轮传动系统的动力学特性是风电齿轮箱设计制造的重要任务之一。
　　 本文在国家自然科学基金的资助下，考虑随机风和发电机对传动系统的影响，以风力发电机三级斜齿轮传动系统为研究对象，研究其在低速轴气动转矩和高速轴电磁转矩的变载荷下的动态特性。论文研究内容主要包括：
　　 1)建立随机风速、气动性能、传动链、笼型感应发电机的数学模型，然后在Matlab中建立相应的仿真计算模型，在考虑控制策略的情况下，对低风速工况和高风速工况分别进行动态外载荷的仿真计算与分析，以获得传动系统的低速轴、高速轴的动态外载荷的变化规律；
　　 2)综合考虑低速轴气动载荷、高速轴电磁转矩、时变啮合刚度、综合啮合误差和阻尼等因素的影响，采用集中质量法建立三级斜齿轮系统的纯扭转动力学模型，推导出系统的振动微分方程，分析了齿轮系统的内、外部激励；
　　 3)采用可变阶的数值微分算法，求解气动转矩和感应发电机电磁转矩等动态外载荷条件下齿轮系统动力学微分方程，获得齿轮系统在内部激励和外部激励共同作用下各齿轮的振动位移、振动速度和各啮合副的动态啮合力，对齿轮传动系统在复杂外部激励和内部激励同时作用下的动态特性进行分析。
　　 以上工作为风力发电机齿轮传动系统的研发、设计与制造提供了一定的理论参考。