兆瓦级风力发电机随机风载荷预测及齿轮传动系统动力学研究

摘要

随着能源问题日趋严峻，风能作为一种可再生的清洁能源受到了全球范围内的广泛关注，风力发电技术也得到了快速的发展。然而，由于风电齿轮箱的工作条件恶劣，受载情况复杂，导致齿轮箱已成为风电机组中故障率最高的部分，随着对风电机组机械系统长寿命、轻量化和高可靠性运行需求不断提高，这就对机械系统的动力学问题提出了很高的要求。本文对1.5MW风力发电机进行随机风速预测并对齿轮传动系统的动力学特性进行分析，主要研究工作包括:
　　针对风速的随机变化和短时强阵风的冲击，建立了基于高斯核函数模糊粗糙理论的随机风速预测模型，并得到了具有较高仿真精度的预测风速。根据风能捕获原理及控制策略，并结合风力机气动理论，建立了基于叶尖速比法的随机风载荷模型，为准确地求解系统的动态响应提供了更加符合实际的外部激励转矩。
　　根据齿轮传动系统的弹性变形情况，得到了啮合线上相对位移的变化规律，并构建了兆瓦级风力发电机齿轮传动系统的纯扭转动力学模型，考虑齿轮时变啮合刚度、综合啮合误差、轴的扭转变形、阻尼以及风载荷等内外部激励的影响，并推导出了齿轮传动系统的动力学微分方程。
　　对齿轮传动系统的无阻尼自由振动方程进行了求解，得出了系统的固有频率以及各个构件的振动模式，并对齿轮传动系统的扭转振动方程进行分析，得到了系统在时变内、外激励共同作用下固有频率、振动位移、动态啮合力等的动态响应的变化规律。
　　在随机风载荷作用下的齿轮传动系统动力学问题中，油膜刚度和摩擦系数对动态响应的影响非常明显，因而有必要对齿轮进行弹流润滑分析。根据齿轮传动时的啮合状态，建立了齿轮等效模型，并结合线接触热弹流润滑理论，建立了渐开线直齿轮的弹流润滑模型。采用多重网格法对齿轮弹流润滑方程进行了求解，得到了动力学方程中摩擦系数和油膜刚度的在不同载荷、转速和齿轮表面粗糙度条件下变化规律。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外风力发电现状

1．2．2 随机风速的预测方法

1．2．3 齿轮传动系统动力学研究现状

1．3 本文的主要研究内容

第2章 风力发电机随机风载荷预测

2．1 模糊粗糙集理论

2．1．1 模糊集基本概念

2．1．2 粗糙集基本概念

2．1．3 模糊粗糙集基本概念

2．2 随机风速预测模型构建

2．2．1 模糊粗糙集上下近似

2．2．2 属性约简和规则提取

2．2．3 回归属性值估计

2．2．4 随机风速的仿真

2．3 随机风载荷模型构建

2．3．1 风能捕获原理及控制

2．3．2 随机风载荷确定

2．4 本章小结

第3章 风力发电机齿轮传动系统动力学模型构建

3．1 齿轮传动系统物理模型

3．2 齿轮传动系统动力学模型

3．2．1 行星轮系动力学模型

3．2．2 平行轴齿轮动力学模型

3．3 齿轮传动系统相对位移

3．4 齿轮传动系统动力学微分方程

3．5 齿轮传动系统动态激励

3．5．1 齿轮时变啮合刚度激励

3．5．2 综合啮合误差激励

3．6 齿轮传动系统阻尼参数

3．6．1 齿轮啮合阻尼

3．6．2 轴的扭转阻尼

3．7 动力学方程中其他参数

3．7．1 传动系统质量

3．7．2 传动系统转动惯量

3．7．3 传动轴扭转刚度

3．8 本章小结

第4章 风力发电机齿轮传动系统动力学分析

4．1 齿轮传动系统基本数据

4．2 齿轮传动系统固有特性

4．2．1 固有特性计算方法

4．2．2 固有特性分析

4．3 齿轮传动系统动态响应

4．3．1 动力学方程求解

4．3．2 时变激励下的振动位移

4．3．3 时变激励下的动态啮合力

4．4 本章小结

第5章 弹流润滑对齿轮动力学的影响

5．1 齿轮等效模型构建

5．1．1 齿轮啮合等效模型

5．1．2 齿轮等效模型参数

5．2 齿轮线接触热弹流润滑模型构建

5．2．1 齿轮线接触热弹流润滑方程

5．2．2 线接触弹流润滑方程数值分析

5．3 弹流润滑对齿轮动力学的影响规律

5．3．1 摩擦系数的变化规律

5．3．2 油膜刚度的变化规律

5．3．3 表面粗糙度的影响

5．4 本章小结

第6章 结论

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间参加科研和获奖情况