风电机组两级平行斜齿轮传动系统的动力学特性方法研究

摘要

随着风力发电技术的不断发展，维护和宕机成本的提高，对于齿轮传动机构运动精度、稳定性、可靠性和使用寿命的要求越来越高。机构的动力学参数对传动系统非线性动力学特性的影响成为目前的研究热点。风电齿轮箱传动系统中输出高速轴的综合性能也影响系统传动精度和可靠性。对于风电机组齿轮箱而言，在随机风速的高空环境中，传动系统动力学参数和输出高速轴的综合性能对传动系统运行稳定性和精度的影响尤为重要。本文以一级行星两级平行齿轮箱为基础，取两级平行斜齿轮和输出高速轴作为研究对象，研究动力学参数对传动系统非线性动力学特性的影响和输出高速轴综合性能的影响，为该型风电齿轮箱的设计、优化等提供理论参考。本文主要研究内容及结果如下： 首先，对传动系统各种激励产生的机理进行阐述，改进直齿轮啮合时变刚度计算公式，建立计算斜齿轮平均啮合刚度的公式，求取两对斜齿轮的平均啮合刚度，然后对时变啮合刚度进行Fourier计数数值模拟。误差和阻尼进行简单分析和数值模拟的近似处理。 其次，建立含有齿侧间隙、时变啮合刚度、阻尼、误差的两级斜齿轮纯扭转非线性动力学模型，并依据模型运用Newton定律，建立动力学微分方程，采用Newmark数值法求解，获得系统的非线性动态响应结果。综合运用啮合力、位移时间历程图，相图和FFT图，分析齿侧间隙、阻尼和误差对该系统非线性动态特性的影响，获得动力学参数对齿轮受力、运动状态的影响规律。 第三，对速度、间隙和间隙变化方式对两斜齿轮接触力影响进行了探讨。取低速、中速、高速三个速度分析对两齿轮从启动阶段到稳定阶段时的接触力变化规律。传动系统中存在单对齿轮间隙变化和两对齿轮间隙同时变化方式，针对间隙变化方式和间隙对传动系统进行动态响应分析，获得间隙变化对齿轮接触力的影响规律、不同间隙变化方式对齿轮接触力的影响规律及不同间隙变化方式随间隙变化对齿轮接触力的影响规律。不同间隙的两对齿轮用Ansys做静力分析，结合仿真结果确定齿轮合理的啮合间隙范围，为齿轮箱设计加工提供参考。 最后，在传动系统输出高速轴综合性能的分析中，研究轴承支撑刚度变化对轴频率和模态的影响规律以及速度对轴节点涡动影响规律，结合Ansys中对高速轴的模态分析，合理的选择支撑刚度范围、转速范围和容易发生变形的位置。根据结果给轴的优化设计提供依据。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 风电机组齿轮传动系统动力学的研究现状

1.2.2 含有间隙的齿轮系统研究现状

1.2.3 风电机组齿轮传动系统轴的研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第2章 风电机组传动系统动态激励的研究

2.1 引言

2.2 传动系统输入激励的计算

2.2.1 传动系统的输入功率计算

2.2.2 传动系统的理论输入转矩计算

2.3 齿轮传动系统内部激励的研究

2.3.1 刚度激励

2.3.2 误差激励

2.3.3 系统阻尼

2.4 齿轮传动系统外部激励的研究

2.4 本章小结

第3章 两级平行斜齿轮的非线性动力学建模方法研究

3.1 引言

3.2 考虑齿侧间隙两级斜齿轮非线性动力学模型的建立

3.2.1 传动系统的动力学平衡方程

3.2.2 无量纲化动力学方程

3.3 系统的动态特性分析

3.3.1 齿侧间隙对系统动态特性的影响作用分析

3.3.2 阻尼对系统动态特性的影响作用分析

3.3.3 误差对系统动态特性的影响作用分析

3.4 建立多间隙耦合关系

3.4.1 轴向径向间隙的传动系统模型的建立

3.4.2 齿侧间隙和轴承径向间隙耦合关系的建立

3.5 本章小结

第4章 两级平行斜齿轮传动系统的动力学性能分析

4.1 引言

4.2 两级平行轴斜齿轮的受力分析

4.3 两级平行斜齿轮的动力学仿真模型建立

4.3.1 斜齿轮仿真模型的建立

4.4 两级平行斜齿轮动态仿真分析

4.4.1 齿轮角速度仿真

4.4.2 接触力的仿真

4.5 考虑速度和间隙的两级平行斜齿轮动态仿真分析

4.5.1 速度对接触力影响作用

4.5.2 间隙对接触力影响作用

4.6 两级斜齿轮有限元分析

4.6.1 有限元模型的建立

4.6.2 齿面接触应力和应变分析

4.7 本章小结

第5章 两级平行斜齿轮传动系统高速轴的性能分析

5.1 引言

5.2 Romax软件建模

5.3 高速轴的静力学分析

5.3.1 高速轴的位移分析

5.3.2 高速轴的应力分析

5.4 高速轴的动态分析

5.4.1 高速轴的临界转速分析

5.4.2 高速轴的不平衡响应分析

5.5 高速轴的模态分析

5.6 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A参加科研项目情况