变风载下变速风力发电机传动系统的可靠性评估与动力学特性研究

摘要

风能是一种清洁无污染的新能源，合理开发利用风能可以解决日益严峻的能源短缺以及环境污染问题。变速风力发电机由于发电量大、振动噪声低等优点，已成为未来大型风力发电机的主要发展方向。大型风力发电机叶片的转速通常都很低，为了达到发电机工作所需的转速就需要在叶轮和发电机之间连接一个增速齿轮箱。齿轮箱传动系统是风力发电机的关键部件之一，其可靠性的高低以及动力学特性的优劣都直接决定着风力发电机正常工作与否。由于变速风力发电机通常工作在较为恶劣的环境条件下，受复杂随机动载荷的影响并且处于高空架设状态，这些都对变速风力发电机齿轮传动系统的可靠性和动力学特性都提出了很高的要求。因此，对变载荷下变速风力发电机齿轮传动系统的可靠性和动力学特性进行研究显得尤为必要。
　　本文受国家自然科学基金项目的资助，以2MW变速风力发电机传动系统为研究对象，对其进行了可靠性评估和动力学特性分析。主要研究工作如下：
　　①建立了基于双参数威布尔分布的随机风速模型。根据实际风场风速的平均值以及方差值，求得了威布尔分布的形状参数和尺度参数，建立了随机风速模型，对自然风场中随机变化的风速进行了模拟；
　　②得到了变速风力发电机齿轮箱实际运行时的时变输入转矩和转速。将通过随机风速模型获得的风载荷作为齿轮传动系统的外部激励，分析了变速风力发电机实际运行时齿轮箱输入功率与风速之间的关系，通过推导得到了齿轮箱输入转矩与风速、输入转速与风速之间的分段函数关系，在此基础上对随机风载荷进行变换得到了齿轮箱时变输入转矩和转速；
　　③对变速风力发电机齿轮传动系统进行了可靠性评估。对齿轮失效的主要形式进行了分析，求得了齿轮传动系统的可靠度，对系统进行了可靠性评估；
　　④建立了齿轮传动系统的动力学模型。在考虑齿轮副时变啮合刚度、轴承刚度和啮合误差等内部激励的基础上，采用集中质量法建立了传动系统的动力学模型；
　　⑤分析了传动系统的动态响应特性。利用matlab求得了传动系统在时变输入转矩和内部激励共同作用下各齿轮的振动位移、振动速度和各齿轮副的动态啮合力，对变风载下变速风力发电机齿轮传动系统的动力学特性进行了分析，所得结果对变速风力发电机齿轮箱的设计和分析具有参考价值。

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1 绪论

1.1 本文的研究背景及意义

1.2 风力发电发展概况

1.3 国内外齿轮传动系统的可靠性设计现状

1.4 齿轮系统动力学研究现状

1.5 本文研究内容

2 随机风速模型

2.1 引言

2.2 基于威布尔分布的随机风速模型

2.3 变速风力发电机齿轮箱的实际输入转矩和输入转速

2.4 本章小结

3 变速风力发电机齿轮传动系统的可靠性评估

3.1 引言

3.2 齿轮传动系统的失效形式

3.3 系统零件可靠性评估模型

3.4 齿轮的可靠性评估模型

3.5 齿轮传动系统的可靠性评估模型

3.6变速风力发电机齿轮传动系统的可靠性评估

3.7 本章小结

4 风力发电机齿轮传动系统动力学模型

4.1 引言

4.2 变速风力发电机传动系统动力学模型

4.3 系统的刚度、阻尼以及啮合误差

4.4 动力学方程中其他参数的确定

4.5 本章小结

5 变速风力发电机齿轮传动系统的动力学特性分析

5.1 引言

5.2 动力学方程的求解

5.3 风电齿轮传动系统在时变外部激励下的动态响应

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