齿轮故障状态下MW级风电机组传动系统动态特性及关键部件有限元分析

摘要

日益严重的环境污染与不可再生能源的不断匮乏，使得风能以崭新的角色登上可利用新能源的榜单。同时，由于其资源储量大、安全可靠以及清洁可再生等诸多优点，使其成为新增电力供给的中坚力量。但因其所处工作环境的特殊性，一旦发生故障维修困难且花费巨大，因而对其各个部件的使用寿命及可靠性提出了很高的要求。齿轮传动系统作为风电机组的关键部件，其工作性能的优劣直接影响整机运行的安全可靠性。因此，对其做动态特性研究就显得十分必要。
　　本文以1.5MW风电机组齿轮传动系统为研究对象，通过建立随机风速模型、传动系统动力学方程组以及多种齿轮故障状态下的数学模型，对整个传动系统在不同齿轮故障状态下的动力学特性来分析研究，并找出其影响特征和规律，为风电机组故障发现与预警提供一定的理论依据。最后对系统中的关键部件行星轮系进行了有限元分析。具体研究内容和研究结论包括：
　　(1)基于风资源的特性，利用谐波叠加法建立了随机风速模型。并以该随机风速为基础，获得了风轮的转矩时程图，为风电机组齿轮传动系统的动力学分析提供了外部激励这一条件。
　　(2)利用集中质量法，在考虑了齿轮时变啮合刚度、轴承支承刚度等因素的影响，建立起风电机组齿轮传动系统的动力学微分方程。此模型充分考虑了各部件的受力情况，更准确地描述了系统的实际工况，为后面系统在齿轮故障状态下的动态响应分析提供了基础。
　　(3)根据不同齿轮故障的特点，建立了风电机组传动系统齿轮在不同故障下的时变啮合刚度模型；并得到齿轮传动系统在不同齿轮故障下的动力学特性响应，研究分析了其对齿轮传动系统产生的影响。研究结果表明：不同形式的齿轮故障会对系统动态响应幅值产生不同程度的波动，齿根裂纹故障所产生的幅值波动较为明显，且其啮合力幅值波动呈现出不对称现象。
　　(4)对齿轮传动系统关键部件行星轮系进行了有限元分析。首先，对其进行了模态分析，并得到固有频率和振型，为避免产生有害振动提供了参考；其次，仿真分析了其在随机风载下的瞬态动力学，得出其最大的应力、应变云图及相应的时程图。结果表明，行星轮系应力与应变的变化趋势与外激励保持一致，为研究其应力与应变的变化提供了一定的参考。

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附表索引

第1章 绪论

1.1课题背景和意义

1.2国内外研究现状分析

1.3 本文主要研究内容

第2章 齿轮动力学基础及齿轮故障类型介绍

2.1引言

2.2齿轮系统振动分析模型

2.3齿轮故障类型及其成因

2.4 本章小结

第3章 随机风速模型与传动系统动力学模型的建立

3.1引言

3.2 风速

3.3 谐波叠加法

3.4 随机风速模拟计算的结果

3.5 模拟风速下的输入转矩

3.6 风电机组齿轮传动系统结构及假设

3.7 坐标系的选取

3.8 齿轮传动系统动力学建模

3.9 本章小结

第4章 齿轮传动系统在齿轮故障状态下的动态响应

4.1引言

4.2 齿轮传动系统参数的设置

4.3 齿轮传动系统激励分析

4.4 故障齿轮传动系统在随机风速下的动态响应

4.5 本章小结

第5章 行星轮系模态及瞬态动力学分析

5.1引言

5.2 有限元法基础理论

5.3 模态分析基础

5.4行星轮系的模态分析

5.5 行星轮系瞬态动力学分析

5.6 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