基于模态综合法2MW风电增速箱柔体动力学分析及优化设计

摘要

近年来风力发电得益于人们对环境问题的重视，传动技术的进步和发电效率的提高，已再次进入高速发展的快车道。风机中的增速齿轮箱（下文简称增速箱）是整个风电系统的核心设备，因为其常年工作在严寒酷暑、载荷多变、多复杂工况的恶劣环境，所以其各方面性能好坏直接决定了整机的整体性能。而发生共振又是导致系统故障的主要因素，所以有必要对其进行较准确的动力学分析，预判共振点，进而有针对性地进行优化，保障风力发电机增速箱的平稳运行。
　　本课题来源于株洲高精传动技术有限公司2MW风电齿轮箱研发项目。为采用柔性体建模和求解，引述了动态子结构法中的模态综合法，采用该方法对传动系统进行柔性化处理。将传动系统按部件划分为若干子结构，运用有限元软件A BAQ US计算各子结构自由模态，并在多体动力学软件SIMPACK中进行模态综合，计算系统固有频率。运用甄别共振点的四条原则，排查出系统潜在共振点。采取系统固有频率与激励产生的扰频相互错开的措施，对其进行优化。通过试验验证了本文计算方法与系统优化方法可行。
　　本文主要研究内容与成果如下：
　　(1)在动力学问题中，滚动轴承的刚度计算是否准确直接关系到系统动态响应解的真实性。本课题从滚动轴承静力学和运动学分析方法着手，综合考虑各滚动体所受载荷和实际接触角均不相同等因素，采用变形协调原理和Hertz弹性接触理论，推导其基于时变载荷的5乘5刚度矩阵。
　　(2)本课题选用基于模态综合法理论的动力学系统建模方式，旨在计算出更接近真实的系统频率特性。结合ABAQUS和SIMPACK联合仿真计算，求解得整个风电增速齿轮箱的固有频率。再根据频率原则、阻尼原则、能量原则和同一速度级能量原则，结合系统Campbell图，排查其潜在共振点。
　　(3)通过优化结构以调整系统固有频率。通过改变与共振点频率相对应的传动轴齿轮副的大齿轮齿数以调整激扰频率。以系统固有频率和激扰频率错开的方式，作为移除共振点方法，使系统不在共振点工作。
　　(4)参照行业内振动测试国际标准，确定试验方案。通过采用专业测试设备，采集振动数据，分析系统响应情况。在预测出系统共振点之后，采用本课题提出的优化方法对系统进行优化，通过振动测试发现潜在共振点已经移除。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 模态综合法研究现状

1.3 齿轮箱动力学优化研究现状

1.4 研究内容

1.5 本章小结

第2章 多柔体系统动力学理论基础

2.1 引言

2.2 模态综合法介绍

2.3 各类子结构模态集

2.4 子结构模态综合

2.5 系统中的滚动轴承刚度

2.6 系统连接部件阻尼

2.7 相关软件介绍

2.8 本章小结

第3章 系统子结构模态分析与模态综合计算

3.1 引言

3.2 子结构模态分析

3.3 子结构模态综合

3.4 识别系统潜在共振点

3.5 共振点描述

3.6 本章小结

第4章 系统动态特性优化

4.1 引言

4.2 激扰频率调整

4.3 系统固有特性调整

4.4 本章小结

第5章 试验验证

5.1 引言

5.2 试验台架简介

5.3 振动测试系统

5.4 振动测试方案

5.5 齿轮箱振动测试及结果分析

5.6 试验结论

5.7 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文