滑动摩擦对风电增速行星轮系非线性振动影响研究

摘要

风力发电是应用前景广阔的绿色可再生清洁能源。增速齿轮箱是大型风力发电机组(兆瓦级)中的关键部件，其振动和噪声一直都是业界关注的热点和焦点问题之一。由齿轮啮合过程得:相互啮合的轮齿间摩擦力大小与方向呈周期性波动，是齿轮振动的重要原因之一，在历来的研究中不被重视。随着齿轮传动系统在重型机械传动领域的广泛应用，有关齿面摩擦的非线性动力学研究日益受到重视，国内外有关齿轮摩擦非线性动力学的研究主要集中在平行轴圆柱齿轮传动领域。迄今为止，还未见系统的有关齿间滑动摩擦对增速行星轮系非线性振动影响的研究论文发表。
　　本文以相互啮合的轮齿间的滑动摩擦为核心的非线性因素，针对单对啮合齿轮系统和多对啮合的增速行星轮系，系统的设计参数对非线性振动响应与参数稳定性进行了研究。在行星轮系的非线性振动建模、非线性微分方程的求解方法、系统设计参数对滑动摩擦激励响应和参数稳定性等方面取得了一些进展和研究成果。
　　鉴于研究轮齿间滑动摩擦对行星轮系非线性振动的影响，1.本文详细论述了内、外轮齿啮合的原理，确定计算了行星轮系各轮的相位差与摩擦力臂等参数;2.建立了考虑齿侧间隙和时变啮合刚度的单自由度扭转齿轮传动系统，计算了系统设计参数的变化对系统非线性响应和参数稳定性的影响;3.作为行星轮系非线性振动的研究基础，本文从一对齿轮副系统摩擦非线性振动问题展开研究，根据NASA的有关齿轮摩擦的实验数据并参考相关文献，推导了齿间滑动摩擦对齿轮啮合刚度影响的计算公式。建立了考虑时变啮合刚度和齿侧间隙、齿廓误差等条件下在齿间滑动摩擦激励下的响应研究。用离散的谐波平衡法求解研究了线性时不变系统和非线性时变系统参数对系统响应影响;4.考虑齿间滑动摩擦激励下，建立了考虑时变啮合刚度和啮合阻尼的非线性振动模型，基于Floquet-Liapunov理论，提出该类双参变周期系统基解，将矩阵的积分运算化为级数运算，求解了系统的初始条件和设计参数的变化对系统在齿间滑动摩擦激励下的非线性响应的影响，为求解此类系统的非线性振动响应找到了一种有效的计算方法;5.建立考虑齿问滑动摩擦和时变啮合刚度的多自由度行星轮系的非线性振动模型，用摄动理论的多尺度法和数值计算相结合的方法研究了齿间滑动摩擦对行星轮系由轮齿的时变啮合刚度引起的参数不稳定性问题;6.将Floquet-Liapunov理论进行了扩展，计算了多自由度行星轮系的在多时变啮合刚度和多接触齿间滑动摩擦模型，在齿间滑动激励下系统的设计参数对系统非线性响应。为计算此类多时变参数系统的微分方程组，找到一种有效地计算方法。7.通过实验，测试有关齿轮增速箱有、无齿轮润滑油的效率损失、轴承的温度、增速箱的噪声和频谱曲线等，并将理论计算的啮合轮齿滑动摩擦的效率损失相比较，通过相关的实验数据:间接验证了本文有关齿间滑动摩擦对行星轮系非线性振动影响的理论分析与计算的可信度。
　　最后，总结了本文的研究成果与不足，并提出了后续研究的建议。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外风电发展现状

1．3 风电机组故障统计

1．4 国内外齿轮振动研究现状

1．4．1 理论研究

1．4．2 研究模型

1．4．3 研究内容

1．4．4 计算方法

1．4．5 实验研究

1．4．6 齿间摩擦对齿轮系统振动影响研究进展

1．5 研究对象、内容和方法

1．6 各章主要符号表

2 时变啮合刚度和齿侧间隙非线性对齿轮系统振动的影响

2．1 引言

2．2 齿轮啮合原理的说明

2．3 振动模型的建立

2．4 参数对振动特性的影响

2．4．1 无冲击状态

2．4．2 单边冲击状态

2．4．3 双边冲击

2．4．4 考察激励频率的影响

2．4．5 非保守系统的稳定性分析

2．5 本章小结

3 滑动摩擦对含有时变啮合刚度和齿侧间隙模型非线性振动影响

3．1 引言

3．2 轮齿间的滑动摩擦力

3．3 齿间滑动摩擦对法向啮合力的影响

3．4 含齿间滑动摩擦和齿侧间隙的齿轮副振动模型的建立

3．5 离散的谐波平衡法求解非线性系统

3．6 算例分析与讨论

3．6．1 摩擦力对非线性时不变齿轮系统影响分析

3．6．2 摩擦力对非线性时变系统影响分析

3．7 本章小结

4 齿间滑动摩擦对含有时变啮合刚度和时变啮合阻尼模型非线性振动的影响

4．1 引言

4．2 摩擦非线性动力学模型的建立

4．2．1 系统参数假设

4．2．2 系统振动方程的建立

4．3 系统动力学方程的傅里叶求解方法

4．4 计算与讨论

4．4．1 初始条件对系统瞬态响应的影响计算

4．4．2 系统参数对振幅响应的影响

4．5 本章小结

5 滑动摩擦对行星轮系时变啮合刚度参数稳定性影响研究

5．1 引言

5．2 系统摩擦振动模型

5．2．1 系统摩擦力分析

5．2．2 摩擦对啮合刚度影响

5．3 滑动摩擦行星轮系振动方程

5．3．1 啮合刚度的傅里叶级数模拟

5．3．2 行星轮系振动方程

5．4 应用摄动法研究系统参数不稳定性

5．4．1 摄动法

5．4．2 系统参数不稳定的分析

5．5 行星轮系的计算与讨论

5．5．1 齿间滑动摩擦对系统稳定性的影响

5．5．2 相位差和滑动摩擦对系统稳定性影响

5．5．3 啮合刚度变化对系统稳定性的影响

5．5．4 重合度对系统稳定性的影响

5．5．5 轮齿间载荷分配因子对系统稳定性的影响

5．6 本章小结

6 齿间滑动摩擦对增速行星轮系非线性振动响应影响研究

6．1 引言

6．2 滑动摩擦对系统的影响

6．2．1 系统摩擦力的分析

6．2．2 系统参数的假设

6．2．3 齿间滑动摩擦对系统的影响

6．3 行星轮系摩擦动力学模型

6．4 参数对系统摩擦振幅响应的计算与讨论

6．4．1 齿间摩擦因子对行星轮系各构件摩擦振幅的影响

6．4．2 轮间载荷分配系数对行星轮系各构件摩擦振幅的影响

6．4．3 齿间载荷分配系数对行星轮系各构件摩擦振幅的影响

6．4．4 刚度幅值因子对行星轮系各构件摩擦振幅的影响

6．4．5 相位差对行星轮系各构件摩擦振幅的影响

6．5 本章小结

7 齿轮动态特性测试实验

7．1 引言

7．2 测试实验

7．2．1 实验方案与原理

7．2．2 传感器的布置

7．3 齿间滑动摩擦力作功的估算

7．4 实验与理论结果对比分析

7．4．1 实验数据分析

7．4．2 齿间滑动摩擦在啮合周期内作功与实验数据对比和测试轴承温升曲线

7．4．3 加速度响应频谱分析

7．5 本章小结

8 结论

8．1 全文总结

8．2 创新总结

8．3 后续研究建议

致谢

参考文献

附录Ⅰ

附录Ⅱ