风电增速齿轮系统啮合特性分析及动态性能优化

摘要

风电增速齿轮箱是风电机组中的关键传动装置，其综合性能的好坏将直接影响风电机组的可靠性和稳定性。随着风力发电装备制造技术的进步，风电增速箱正朝着大功率、高精度、轻量化、低噪声以及高可靠性的方向发展。因此，开展风电增速齿轮系统啮合特性分析及动态性能优化，对风电增速齿轮箱的减振和减重设计具有一定的理论意义和工程价值。　　本文针对风电增速齿轮系统，进行齿轮副啮合特性仿真、内部激励模拟、振动特性分析、结构系统模态-响应优化、传动系统动力学性能优化。论文的主要研究工作如下：　　①基于ANSYS/LS-DYNA软件分析齿轮副啮合特性，得出轮齿动态接触力、动态应力和传动误差变化规律；建立传动系统的Romax静力分析模型，求得轴承支承刚度；基于齿轮副静动态接触分析，得出其时变啮合刚度激励、传递误差激励和轮齿啮合冲击激励等内部动态激励。　　②基于ANSYS中的APDL语言编程，建立箱体-齿轮传动系统耦合动力有限元分析模型，通过约束模态分析求得系统各阶固有频率及其固有振型；将内部激励施加于系统有限元模型，采用模态叠加法计算系统振动响应，并与增速箱实测振动响应进行对比分析，两者吻合良好。　　③基于多目标优化设计理论，以避开系统特征频率和降低评估点振动加速度为目标，以箱体结构尺寸参数为设计变量，以箱体体积、静强度为约束条件，借助ANSYS软件构建风电增速箱模态-响应联合优化模型，对箱体进行多目标动力学性能优化，并对优化后的增速箱进行静动态性能评价。　　④建立风电增速传动系统集中参数动力学模型，基于谐波平衡法求解动力学微分方程获得各构件振动响应解析解；以齿轮基本参数为设计变量，以增速箱总传动比、轮齿强度、装配条件等为状态变量，以振动加速度和构件总质量最小为设计目标，构建多目标混合离散动力学优化模型，借助Matlab软件基于分支定界算法编写了优化设计程序，求得传动系统最优设计参数，动态性能优化效果较为明显。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 齿轮副啮合特性研究

1.2.2 齿轮系统振动特性研究

1.2.3 齿轮系统动态性能优化研究

1.3 课题的主要研究内容

2 齿轮副啮合特性分析及内部激励模拟

2.1 引言

2.2 风电增速箱传动系统结构

2.3 齿轮副静力接触分析

2.4.1 单元选择及网格划分

2.4.2 施加边界条件并求解

2.5.1 齿轮副动态接触特性

2.5.2 齿轮副接触力及齿根应力

2.5.3 齿轮副动态传动误差

2.6.1 轴承支承刚度分析

2.6.2 内部激励模拟

2.7 本章小结

3 齿轮系统振动响应分析及试验研究

3.1 引言

3.2.1 模态分析

3.2.2 振动响应分析

3.3 风电增速箱动力分析有限元模型

3.4 风电增速箱模态分析

3.5 风电增速箱振动响应分析

3.6.1 风电增速箱振动测试

3.6.2 风电增速箱振动测试结果分析

3.7 本章小结

4 结构子系统模态-振动响应联合优化

4.1 引言

4.2 多目标优化设计理论

4.3.1 零阶优化理论

4.3.2 一阶优化理论

4.3.3 收敛准则

4.4.1 目标函数

4.4.2 设计变量

4.4.3 状态变量

4.4.4 优化流程

4.5 风电增速箱模态-振动响应联合优化

4.6.1 优化后增速箱静强度验证

4.6.2 优化后增速箱固有频率验证

4.6.3 优化后增速箱动态响应验证

4.7 本章小结

5 传动子系统动态性能优化

5.1 引言

5.2 传动系统动力学模型

5.2.1 各构件的相对位移

5.2.2 传动系统动力学微分方程

5.2.3 微分方程参数分析

5.3 动力学方程解析法求解

5.4 传动系统振动响应分析

5.5.1 目标函数的建立

5.5.2 设计变量的选取

5.5.3 约束条件的确定

5.5.4 优化设计流程

5.6 传动系统动力学优化及结果评估

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

B. 作者在攻读学位期间获得的奖励

C. 学位论文数据集

致谢