风电齿轮箱动态特性研究与工作模态测量分析

摘要

风电齿轮箱作为风电机组的关键部件，经常受到启动、制动以及风载荷的作用，承受着无规律的变向载荷和瞬时强冲击载荷，并且其安装在几十米的高空，检修维护都很不方便，因此风电系统对齿轮箱的要求非常严格：长寿命，一般其设计寿命要达到20年；低噪音，1米处的噪声不得大于95分贝等等，所以必须对其进行动态方面的分析设计，减少振动和噪声，提高其承载能力。
　　本论文在国家自然科学基金项目(项目号：51075408)资助下，以1.5兆瓦风电齿轮箱为研究对象，运用集中参数法和有限元法建立了齿轮箱耦合动力学模型，求解了模型的固有特性以及动态响应，并采用工作模态辨识的方法对齿轮箱进行了实验测量，为风电齿轮箱的动态设计与分析提供了一种合理的方法和理论依据。论文主要研究工作有：
　　①.采用集中参数法建立了1.5兆瓦风电齿轮箱传动系统扭转振动动力学模型，箱体结构模型采用有限元法建立，通过作用在箱体支撑孔处的轴承力，把齿轮箱传动系统和箱体系统耦合起来，建立了齿轮箱动力学模型。
　　②.运用龙格——库塔法求解齿轮传动系统的动力学微分方程，得到了齿轮在内部动态激励作用下的扭转振动特性以及动态啮合力。
　　③.采用有限元的方法对齿轮箱耦合动力学模型进行了约束模态计算，求解了它在实际支撑条件下的固有特性。把齿轮在啮合传动过程中产生的动态啮合力施加在箱体相应的位置上，计算了齿轮箱在五种不同外部激励作用下的动态响应。
　　④.测量了齿轮箱在额定功率30％、50%、80%、100%、110%五种不同工况下的振动响应数据，采用工作模态辨识技术得到了齿轮箱的固有特性以及振动响应数据，并把测量结果和计算结果进行对比，验证所建立模型的正确性。

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1 绪论

1.1 本文研究的背景与意义

1.2 风力发电的发展现状

1.3 齿轮系统动力学发展现状

1.4 工作模态辨识技术发展现状

1.5 课题研究内容

2 风电齿轮箱动力学模型

2.1 引言

2.2 系统的物理模型

2.3 传动系统的动力学模型

2.4 系统参数分析

2.5 齿轮箱体的动力学模型

2.6 整个齿轮系统的动力学模型

2.7 本章小结

3 风电齿轮箱动力学模型求解

3.1 引言

3.2 齿轮传动系统的动力学模型

3.3 动力学模型的求解

3.4 齿轮传动系统的动态响应

3.5 本章小结

4 风电齿轮箱动态特性分析

4.1 引言

4.2 齿轮箱三维实体模型

4.3 齿轮箱固有特性分析

4.4 齿轮箱振动响应

4.5 本章小结

5 风电齿轮箱实验测量

5.1 引言

5.2 工作模态辨识理论

5.3 齿轮箱工作模态测量

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附 录