风电机组传动链振动分析与振动抑制方法研究

摘要

风电机组传动链的振动将严重影响整个机组的动态可靠性与运行稳定性，甚至可造成结构破坏。因此，对传动链振动问题的研究势在必行。然而，高空运行下的传动链振动及其抑制一直是风电技术领域的一大难题，加之大柔性和轻质量结构在机组设计中的应用，进一步加剧了传动链的振动，其故障已经是导致机组过早失效的主要原因之一。针对此问题，本研究工作从理论推导和数值仿真验证两个方面，围绕着传动链振动特性的动力学建模、振动响应分析及振动抑制方法等问题进行了探讨。主要研究内容及获得的研究结论如下：
　　(1)基于传动链的构型特点及结构表现出的主要动力学特征，提出了一种简化的传动链结构模型。在此基础上通过推演传动链不同部件间扭转振动的建模机理，建立了一种考虑传动链柔性的耦合动力学模型，并采用虚拟样机模型进行了验证。结果表明：两模型中关键部件的振动趋势相同，部件的柔性因素导致机组关键部件的振动加剧，而且引起系统转速的波动。
　　(2)推导了传动链激励与响应不同步问题的动态误差方程，并给出了误差的量化表达式，由此分析了系统结构参数对传动链功率传递性能的影响。结果表明，该动态误差由“同步误差”分量和“自由振动误差”分量两部分组成，即两误差分量的线性叠加。其中，系统结构参数决定动态误差的类型，外部激励影响误差幅值的大小和误差持续时间的长短。增大轴系结构刚度能补偿部分“同步误差”分量，但“自由振动误差”分量随载荷的波动而始终存在。
　　(3)建立了一种多齿轮传动下时变啮合刚度对传动链动态性能影响的敏感性关系模型，分析了传动链固有振动特性受系统参数变化的影响。通过确定齿轮时变啮合刚度的量化分析模型并推导传动链的动态总刚度，建立了系统动态性能随刚度参数变化的敏感度关系模型。结果显示，系统高阶固有频率对时变啮合刚度和扭转刚度的变化非常敏感，随刚度值的递增，其敏感度呈现出先急剧上升后又缓慢下降至某一较小值附近基本保持不变的状态；然而低阶固有频率对刚度值的变化始终不敏感，因此采用增大系统刚度的方法不会使系统低阶固有频率得到显著的改善。
　　(4)分析了动态激励载荷作用下传动链的振动行为，获得了动态激励对系统振动响应特性的影响规律。研究表明，动态激励作用下系统扭转振动位移的变化规律与系统合力矩的变化规律相似；在相同频率范围内，动态激励使系统响应频率的阶次增加，丰富了系统的频率成分，其中行星级系统振动中表现出明显的低频成分，而平行级齿轮频谱与系统固有频率相接近的频率处出现了其它频率成分。故传动链振动响应分析需建立在时变参数和时变载荷的基础之上。
　　(5)针对冲击载荷作用下传动链的振动响应规律，提出了一种抑制传动链振动的方法。冲击载荷作用加剧了传动轴的载荷波动，应用被动减缓振动的方法后，主轴刚度提高10％可使低速中间轴振动峰值减小8%，对比之下，主动减缓方法能使振动得到快速衰减。在此基础上，借鉴反馈控制思想改进了传动链结构，使之能提前实现功率分流而降低载荷波动。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 风电机组传动链的动力学问题

1.3 传动链振动问题的国内外研究现状

1.4 传动链振动抑制方法的研究现状

1.5 存在的主要问题归纳

1.6 课题的研究内容及安排

第2章 含柔性件的传动链动力学分析基础理论

2.1 引言

2.2 传动链结构简介

2.3 相关基础理论及其应用分析

2.4 传动链结构的简化

2.5 含柔性件传动链的扭转振动建模基础理论

2.6 传动链动态特性的分析方法

2.7 本章小结

第3章 传动链动力学模型的建立及参数敏感性分析

3.1 引言

3.2 传动链动力学模型的建立

3.3 系统的参数及主要激励源分析

3.4 系统的固有振动特性分析

3.5 固有特性受参数影响的敏感性分析

3.6 本章小结

第4章 传动链振动响应计算方法与动态误差分析

4.1 引言

4.2 传动链振动响应的计算及结果分析

4.3 基于仿真平台的振动响应对比分析

4.4 弹性变形引起的传动链动态误差情况分析

4.5 结果分析与讨论

4.6 本章小结

第5章 动态激励下的传动链振动响应特性研究

5.1 引言

5.2 动态激励机理分析

5.3 传动链动态激励的确定

5.4 动态激励下的传动链振动响应分析

5.5 内外激励联合作用下传动链的动态响应分析

5.6 讨论与分析

5.7 本章小结

第6章 动态激励下传动链的振动抑制方法探讨

6.1 引言

6.2 振动抑制方法简介

6.3 参数对传动链冲击振动特性的影响

6.4 传动链冲击振动的减缓方法设计

6.5 基于主动减缓方法的传动链结构改进

6.6 本章小结

总结与展望

全文总结

研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文

附录B 攻读学位期间参加的科研项目

附录C 攻读学位期间获得的奖励