兆瓦级以上风电齿轮箱传动系统的结构与性能研究

摘要

随着全球可再生能源市场的迅速发展和人类对环境保护意识的增强，人们开始把目光集中到新能源的开发上来。风力发电逐渐成为能源工业新的增长点。风力发电齿轮箱作为风力发电机组中传递动力的重要部件之一，其传动系统的结构与性能，直接影响到整个风力发电机组的正常运转。齿轮箱的传动系统的结构决定了齿轮箱的整体体积。由于风力发电齿轮箱传动系统在运行的过程中，它的动力源是无时无刻在变化的自然风。这必然使传动系统产生振动。为了减小风电齿轮箱的体积和减小传动系统的振动、降低噪音，需要对风力发电齿轮箱的传动系统的结构和模态进行分析。
　　 本文对1.5MW风力发电齿轮箱传动系统进行了结构的选择和优化并在考虑齿轮啮合刚度的时变性、外部激励和内部激励等因素的情况下，对优化后的传动系统建立了扭转振动动力学模型。在此基础上，建立了多自由度的自由振动线性微分方程，并对其进行求解，得到传动系统的固有频率和主振型。为下一步对传动系统的动态响应的研究打下基础。
　　 本文主要做了以下几方面的工作：
　　 (1)设计了一种风电齿轮箱的传动系统，该传动系统采用功率分流式三级行星齿轮机构，第三级为差动行星齿轮。以行星齿轮的总体积作为我们的目标函数，以太阳轮的齿数和相关的比例系数为设计变量，使用MATLAB工具箱里面的fmincon函数对我们的传动系统进行优化。得到我们最终的设计齿数和比例系数。
　　 (2)计算出每一级的模数，使用Pro/e三维建模软件，建立行星齿轮、行星架，轴的三维模型。并把它们装配在一起，从而建立起传动系统的三维模型。
　　 (3)采用集中参数法建立风电齿轮箱传动系统的扭转振动动力学模型，把相互啮合的齿轮等效成一根弹簧和一个阻尼器。采用石川法[1][2]来计算齿轮的啮合刚度。以第二级太阳轮与行星轮的啮合刚度为例，进行了相关的计算。使用拉格朗日方程推导出传动系统的扭转振动微分方程。
　　 (4)对风电齿轮箱传动系统建立16自由度的自由振动线性微分方程，使用MATLAB中的EIG命令来求出系统的固有频率和主振型。
　　 以上的研究可以为设计一种质量轻，满足功率要求、成本低的风力发电齿轮箱提供参考。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 风力发电发展概述

1.2.1 世界风力发电发展概况

1.2.2 中国风力发电发展概况

1.3 风力发电增速齿轮箱的传动系统概述

1.3.1 风力发电系统

1.3.2 风力发电的原理

1.4 风力发电齿轮箱传动系统

1.4.1 风力发电齿轮箱

1.4.2 风力发电齿轮箱的传动系统

1.5 论文的主要内容及课题来源

2 风力发电增速齿轮箱传动系统的优化设计

2.1 功率分流差动式增速齿轮箱传动系统的工作原理

2.2 目标函数的建立

2.2.1 行星齿轮的传动比

2.2.2 行星齿轮传动的同心条件、装配条件、邻接条件

2.3 目标函数的建立

2.3.1 设计变量

2.3.2 建立目标函数

2.4 行星齿轮的约束条件

2.4.1 行星齿轮机构总的传动比

2.4.2 行星齿轮机构各级传动比

2.4.3 各级太阳轮的齿数限制条件

2.4.4 行星齿轮的参数np的范围确定

2.4.5 行星齿轮的邻接条件

2.4.6 行星齿轮系的分流效率

2.5 MATLAB优化工具箱及其求解

2.5.1 MATLAB软件及优化工具箱的概述

2.5.2 目标函数的求解

2.6 优化结果分析

2.7 本章小结

3 风力风电齿轮箱传动系统的三维模型的建立

3.1 PRO/E参数化建模概述

3.2 各级行星齿轮相关参数的确定

3.2.1 各级行星齿轮齿数的确定

3.2.2 各级行星齿轮模数的确定

3.3 增速齿轮箱传动系统的三维模型的建立

3.3.1 渐开线生成原理

3.3.2 行星齿轮机构的其他参数的选择

3.3.3 各级行星齿轮的三维模型

3.3.4 风电齿轮箱传动系统三维模型

3.4 本章小结

4 风力发电齿轮箱传动系统的动力学建模

4.1 齿轮系统动力学基本理论

4.1.1 齿轮系统动力学概述

4.1.2 齿轮系统动力学的基本问题

4.1.3 齿轮系统动力学模型类型

4.1.4 齿轮动力学数学模型的求解

4.1.5 齿轮系统的动态特性

4.2 风电发电齿轮箱传动系统的激励响应

4.3 风力发电增速齿轮箱传动系统的动力学分析

4.3.1 风力发电增速齿轮箱传动系统的动力学建模

4.4 风电齿轮箱传动系统的振动微分方程

4.5 传动系统的刚度分析

4.5.1 齿轮副啮合刚度

4.5.2 太阳轮轴的扭转刚度

4.5.3 行星架的扭转刚度

4.6 齿轮传动系统动力学模型的阻尼分析

4.7 风电齿轮箱传动系统的外部激励分析

4.8 齿轮传动系统动力学振动方程的标准形式

4.9 本章小结

5 风电齿轮箱传动系统求解分析

5.1 风电齿轮箱传动系统固有频率和主振型

5.2 风电齿轮箱传动系统固有频率及主振型的求解

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文的主要工作

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间学术论文及科研情况

致谢