随机风速下风电齿轮传动系统的动态特性分析

摘要

几百年来，石油、天然气等矿物质能源促进了人类社会的发展，然而，伴随着对能源的利用，地球的生态环境也遭到极大的破坏。为了保证人类社会的可持续发展，世界各国纷纷开始投入到对新能源的开发利用中来。其中，利用纯净无污染且储量丰富的风能进行发电的技术已相当成熟，并发挥出巨大的经济效益。
　　风力发电机一般都安装在高山、海边等风能充足的地方，维修和保养比较困难，因此对其可靠性提出了很高的要求。但是，在实际运行中发现，部分风场的风电机组故障率较高，其中，由齿轮箱失效引起的故障占到了一半以上。因此，为了提高系统安全运行的可靠性，本文以某1.5MW风力发电机齿轮箱为研究对象，在充分考虑随机风速引起的动态外载荷情况下，对其动态特性进行研究，主要内容如下:
　　确定齿轮箱的基本传动形式与各级传动的具体结构，建立其物理模型。在刚性体基本假设下，建立两级行星传动和高速级平行轴传动的动力学方程，根据耦合条件，得到系统的二阶动力学微分方程，建立系统的动力学分析模型，并仔细讨论了模型中涉及的各主要参数。另外，对系统的外部激励进行了分析，根据IECKAI风速模型，得到50s内的风速时间历程，综合修正的风能利用系数，得到系统的输入转矩曲线。
　　基于虚拟样机技术和有限元分析方法，对齿轮系统的动态特性进行分析，在验证仿真模型正确性的基础上，得到系统的轮齿间动态啮合力和动态轴承力。对结果分析表明，轴承力受外载荷影响的作用明显，随载荷的变化具有相同的变化趋势，另外发现，两级行星轮系所受力矩大于平行轴传动，在系统运行时更容易发生失效现象。
　　在满足系统正常运转及疲劳强度的条件下，根据系统可靠性定义，设计齿轮系统的可靠性模型，以基本设计参数为变量，对风力发电机齿轮系统的两级行星轮系做优化设计，对比优化前后的构件振动位移幅值发现，优化后系统的振动幅度大大减小，系统体积和重量也有所降低，有效提高了系统安全运行的可靠性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 风力发电的现状

1．3 风力发电齿轮箱现状

1．3．1 风力发电齿轮箱简介

1．3．2 齿轮系统动力学

1．3．3 行星齿轮系统动力学

1．3．4 风电齿轮传动系统研究现状

1．4 本文主要工作

1．5 本章小结

第二章 风电齿轮传动系统分析模型

2．1 引言

2．2 风电齿轮系统物理模型

2．2．1 齿轮传动系统基本结构

2．2．2 物理建模

2．3 基本假设

2．4 两级行星轮系的动力学方程

2．4．1 等效力学模型的建立

2．4．2 弹性变形协调条件

2．4．3 第一级行星轮系

2．4．4 第二级行星轮系

2．5 平行轴级的动力学方程

2．6 系统动力学方程

2．7 本章小结

第三章 风电齿轮系统模型参数分析

3．1 引言

3．2 物理参数

3．2．1 质量参数

3．2．2 刚度参数

3．2．3 阻尼参数

3．3 动态激励参数

3．3．1 时变啮合刚度

3．3．2 综合啮合误差

3．3．3 啮合冲击激励

3．3．4 风力机气动转矩

3．4 本章小结

第四章 风电齿轮传动系统动态特性分析

4．1 引言

4．2 虚拟样机与有限元法

4．3 系统动力学方程求解

4．4 系统动态响应分析

4．4．1 系统传动比分析

4．4．2 齿轮动态接触力分析

4．4．3 动态轴承力分析

4．5 本章小结

第五章 行星轮系的参数优化设计

5．1 引言

5．2 系统可靠性

5．2．1 简单机械系统可靠性模型

5．2．2 行星轮系可靠性模型

5．3 系统优化设计

5．3．1 优化目标

5．3．2 系统约束

5．3．3 系统变量参数及优化

5．3．4 优化结果及分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文