基于扩展有限元的风电齿轮箱齿轮微点蚀模拟

摘要

石油和煤炭作为最常见的能源，其储量是有限的，且会导致环境污染等问题。新能源的开发是未来的必然趋势，风能作为一种可循环使用的清洁能源受到世界各国的重视。截止2016年，我国在世界的风电领域占领了榜首，累计风机装机量已经达到1.69亿千瓦，而且风电市场还会不断壮大，前景广阔。风电车凡组往往安装在高山、荒郊、大海，工作环境恶劣，维修困难，成本高，且随着风电机组功率不断增大，对其可靠性提出了更高的要求。据统计，在风电机组的各个组件中，风电齿轮箱的故障率较高且其故障停机时间较长，其中又以齿轮的故障占比最大，因此有必要深入研究风电齿轮箱齿轮的失效机理。本文以功率分流型2.5MW风电齿轮箱为研究对象，对其进行FMECA分析，确定薄弱环节和主要失效模式，采用弹流润滑理论计算轮齿的接触压力分布，基于扩展有限元模拟不同初始裂纹下微点蚀的形成过程。论文的主要内容如下:
　　第一，简述了论文研究的背景和意义，综述了风力发电的国内外现状，在总结分析齿轮点蚀机理国内外研究现状的基础上，提出了论文的主要研究内容。
　　第二，分析了功率分流型2.5MW风电齿轮箱的结构和工况环境，运用有限元软件分析各齿轮的受力情况，结合有限元分析结果和齿轮箱的失效情况，对其进行了FMECA分析，确定了其主要失效模式是齿轮点蚀和断齿，薄弱环节是一、二级太阳轮和三级从动轮。
　　第三，考虑到齿轮节线处是点蚀的高发区域，计算了在额定工况下一、二级太阳轮和三级从动轮节线处的曲率半径、接触载荷、滑滚速度等啮合参数。基于等温线接触弹流润滑的六个基本方程，结合2.5MW风电齿轮箱齿轮的啮合参数，运用迭代法编写程序，计算得到了一、二级太阳轮和三级从动轮在弹流润滑状态下齿轮啮合面的接触压力分布，为基于扩展有限元的齿轮微点蚀模拟奠定了基础。
　　第四，利用断裂力学的相关知识分析了齿轮初始裂纹扩展成微点蚀的机理。齿轮啮合简化为当量圆柱和无限长平面的接触，在ABAQUS软件中建立了一、二级太阳轮和三级从动轮的点蚀模型，基于最大能量释放率理论，在考虑弹流润滑的情况下运用扩展有限元法模拟了在不同初始裂纹(5μm，10μm，15μm，20μm)下微点蚀的形成过程。根据模拟数据，计算得到了裂纹尖端的应力强度因子，运用Paris公式建立了裂纹扩展长度和应力循环次数间的关系，并分析了不同初始裂纹长度下，裂纹的扩展特性。
　　最后对全文进行了总结，提出了不足之处和未来可研究的几个方向。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 风力发电的发展现状

1．3 齿轮点蚀国内外研究现状

1．4 本文主要内容

2．1 引言

2．2 2．5MW风电齿轮箱结构和参数

2．3 2．5MW风电齿轮箱工作环境

2．4 风电齿轮箱有限元分析

2．4．1 一级传动系统有限元分析

2．4．2 二级传动系统有限元分析

2．4．3 三级斜齿轮传动有限元分析

2．5 2．5MW风电齿轮箱的故障模式影响及其危害性分析

2．6 本章小结

第三章 基于弹流润滑的齿轮接触压力分布计算方法

3．2．2 接触载荷

3．2．3 滑滚速度

3．2．4 2．5MW齿轮箱传动比计算

3．3 齿轮啮合模型的简化

3．4 基于弹流润滑的接触压力计算方法

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 齿轮疲劳微点蚀形成机理分析

4．3 扩展有限元法(XFEM)

4．3．1 XFEM理论

4．3．2 最小应变能密度强度因子理论

4．3．3 最大周向拉应力强度因子理论

4．3．4 最大能量释放率理论

4．4 基于扩展有限元的齿轮微点蚀模拟

4．4．1 二维齿轮摩擦副有限元模型的建立

4．4．2 材料性能

4．4．3 载荷加载和边界条件

4．4．4 网格划分

4．4．5 裂纹扩展分析

4．5 裂纹扩展长度与循环次数的计算

4．5．1 应力强度因子与裂纹扩展长度关系计算

4．5．2 应力循环次数与裂纹扩展长度关系计算

4．6 不同初始裂纹长度裂纹扩展情况分析

4．7 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献