风力发电变桨连接螺栓故障诊断和可靠性分析

摘要

兆瓦级风力发电机作为将风能转化为电能的关键设备，是未来风电领域的发展新趋势。风电机组大型化发展趋势对机组关键零部件的结构强度提出更高的要求。风电机组主要零部件包括叶片、机架、塔筒、主轴、轮毂等，其中高强度螺栓是连接这些关键零部件的主要元件之一，主要起联接、传递力和力矩、定位和密封等作用。故而高强度螺栓的工作安全性和可靠性将直接影响整机的运作稳定性和安全性。随着机组大型化、工作环境恶劣化，风电机组重要的连接系统，特别是机组变桨连接系统高强度螺栓故障发生率较高，直接影响机组的正常运行，造成了巨大的经济损失。因此，开展风力发电机组变桨连接系统的高强度螺栓断裂故障诊断研究对整个机组安全运行具有重大的意义。
　　本研究主要内容包括：⑴根据空气动力学基本原理结合风电机组变桨系统连接结构和工作原理，对变桨系统中叶片根部载荷分布规律进行分析，得到叶根部螺栓载荷计算方法,为高强度螺栓强度和故障诊断研究提供了理论基础。⑵由于传统机械故障诊断方法的局限性即多基于线性系统，与变桨系统的非线性结构特征不相符。而非线性相关故障诊断方法在风电高强度螺栓故障诊断方面应用较少，提出从整体的角度进行建模，以非线性相关的故障诊断研究方法为依据，进行螺栓故障诊断研究，并利用有限元软件搭建非线性接触模型，将理论分析结果和仿真结果进行对比，验证模型的准确性，同时为风电高强度螺栓测试试验提供理论依据。⑶基于科学的严谨性，要想找出高强度螺栓发生故障原因，需要依据现场的测试试验数据进行分析研究。根据第三章仿真分析结果，为测试试验提供测试传感器安放位置和理论依据，通过对实测信号进行分析，得出变桨系统高强度螺栓故障的诱发原因。⑷为了进一步查找螺栓故障根源，针对变桨连接系统的非线性接触关系，基于Schmidtand-Neuper非线性理论，分析了法兰螺栓连接系统的受载关系，并推导了在叶根法兰中心弯矩作用下的螺栓工作应力和法兰中心弯矩之间的关系。通过理论计算与仿真分析结果对比验证 Schmidtand-Neuper非线性理论在螺栓故障诊断方面应用的合理性和适用性。最后通过有限元仿真结果和测试试验结果进行对比验证，得出高强度螺栓断裂的根源。验证了所提出的研究方法的准确性和适用性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题概述

1.2国内外技术现状综述

1.3课题主要研究内容

第二章 风电变桨连接系统动力学理论基础

引言

2.1空气动力学理论

2.2载荷来源及分类

2.3载荷计算坐标系建立

2.4叶片载荷分析

2.5变桨系统中叶根法兰螺栓连接结构受力分析

2.6小结

第三章 变桨连接系统接触非线性有限元分析

引言

3.1接触问题概述

3.2变桨连接系统非线性有限元分析

3.3风电机组变桨连接系统有限元模型建立

3.4螺栓预紧力确定和最大应力理论计算

3.5小结

第四章 风力发电机组变桨连接系统故障检测研究

引言

4.1 风力发电高强度螺栓故障起因及分析

4.2风电机组高强度螺栓失效形式和影响因素

4.3风电机组变桨连接系统高强度螺栓故障检测研究

4.4小结

第五章 基于schmidtand-neuper理论的变桨连接螺栓强度分析

引言

5.1叶根法兰中心载荷与螺栓应力关系

5.2有限元分析与测试实验对比验证

5.3小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2研究工作展望

参考文献

致谢

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