风电机组主轴承的刚柔耦合建模与动态响应研究

摘要

风电机组在运转过程中将随风速的变化不断启停，这种工况下的动态外部负载对设备造成的损害较大。主轴承作为传动链系统的关键支撑部件，在承受变载冲击作用下易产生疲劳破坏。因此，如何准确揭示运转过程中主轴承动态响应特性以及产生疲劳损伤的原因，对提高风电机组结构设计水平具有重要意义。 本文以 1.5MW的风电机组主轴承为研究对象，对两种典型工况下的主轴承的动态响应仿真问题展开了研究工作，具体内容和取得的研究结论如下： (1) 主轴承的负载计算。运用贝茨理论与叶素动量法，推导了风电机组主轴承轴向负载的计算方法，计算出主轴承在额定风速和极限风速下的轴向负载分别为 44926N和 160450N。在合理的简化风电机组模型的基础上，建立了机组轴系等效物理模型，并根据所建立的静力学平衡方程对主轴承所受径向负载进行了计算，计算出轴承所受径向负载为 632628N。负载的计算结果为后续主轴承的刚柔耦合仿真分析提供了可靠的数据支持。 (2) 建立了主轴承刚柔耦合多体接触动力学仿真模型。以多体系统动力学为基础，基于 ADAMS多体系统动力学分析平台与 ANSYS有限元分析平台对主轴承进行了刚柔耦合动力学建模。建模过程中考虑了主轴承内圈和保持架的柔性以及油膜存在下对主轴承径向接触刚度和阻尼的影响。在选定工况下，分别利用主轴承刚柔耦合模型与主轴承全刚体模型进了仿真计算，并将其和主轴承保持架、滚子转速的理论计算值进行了对比验证。结果表明：所建耦合模型正确；且相比于全刚体模型，耦合模型的仿真结果更为准确可靠。 (3) 风电机组主轴承的动态响应仿真分析。利用所建立的主轴承刚柔耦合多体接触动力学仿真模型，在选定的两种典型工况下进行了仿真分析。结果表明：风电机组启动初期主轴承滚子对保持架与内圈冲击最大，受力危险位置分别发生在保持架兜孔处和内滚道边缘附近；平稳运行阶段保持架主要受滚子径向冲击作用，此时受力危险位置发生在保持架内外壁两侧，两个阶段保持架都明显的受力不均。阵风工况滚子与保持架接触应力变化频率增加，受力危险位置在保持架兜孔处，保持架受力不均现象依然存在；滚子对内圈的接触应力有突变，受力危险位置依然集中在内滚道边缘附近。 本文所做的研究工作，对风电机组主轴承的选型及结构的优化具有一定的参考价值。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 当前主轴承研究中存在的主要问题分析

1.4 本文研究的意义与价值

1.5 本论文的研究内容

第2章 与主轴承刚柔耦合多体动力学建模相关的基础理论简介

2.1 引言

2.2 ADAMS多体动力学分析理论

2.3 刚柔耦合的建模理论

2.4 主轴承的径向等效方法

2.5 滚动轴承构件的运动学参数计算方法

2.6 本章小结

第3章 风电机组主轴承的负载计算

3.1 引言

3.2 风电机组主轴承及其配置形式简介

3.3 风电机组风轮空气动力学理论

3.4 主轴承负载分析

3.5 本章小结

第4章 主轴承刚柔耦合动力学仿真模型的建立

4.1 引言

4.2 主轴承的典型故障形式

4.3 主轴承刚柔耦合动力学建模流程

4.4 主轴承全刚体动力学模型的建立

4.5 基于ANSYS的mnf文件的生成

4.6 主轴承刚柔耦合多体接触动力学仿真模型的建立

4.7 本章小结

第5章 两种工况下主轴承的动态响应仿真结果分析

5.1 引言

5.2 工况一：机组启动至平稳运转状态下的响应特性分析

5.3 工况二：机组平稳运转遇阵风状态下的响应特性分析

5.4 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的科研成果目录

附录B 参加科研项目情况