风电机组行星轮系轴承滑移问题及改进方法研究

摘要

随着风能产业的迅速发展，对风力发电机组传动系统运行的稳定性和可靠性提出了更高的要求。然而由于风资源的不确定性，风力发电机组存在大量启动和刹车的过程，产生变载荷和冲击载荷严重影响部件的伺服寿命，造成部件过早损坏的问题。特别是轴承，在风力机齿轮箱正常工作的行星轮轴承在低载荷工况下经常会出现滑移问题，造成轮毂内表面有明显的疲劳擦伤。因此研究风电行星轮系轴承滑移问题及其改进方法具有重要的理论指导意义和工程使用价值。
　　本文以风电机组行星轮系轴承作为研究对象，运用虚拟样机技术(ANSYS)对其进行接触有限元分析，得到在额定与极限载荷工况下行星轮轴承过盈配合表面滑移分析，进而获得了最佳的过盈量，以最佳过盈量下的行星轮系作为研究对象，对各部件进行极限静强度校验。结果表明:行星轮孔内表面与轴承外表面之间的滑移不可避免。随着过盈量的减小，过盈配合表面相对滑移量总趋势增大，疲劳擦伤越严重;由于受到齿轮径向作用力及过盈的影响，轴承外表面总体变形呈“椭圆”变化趋势，变化趋势与过盈量和载荷大小有关。根据滑移分析并综合零件间的装配及轴承变形的影响，选取本模型最佳的过盈量;在此过盈量下对各部件进行极限静强度校验，发现各部件均满足要求。研究行星轮轴承过盈量、滑移量及变形趋势，并提出可行性的改进意见，对于提高齿轮箱使用伺服寿命及可靠性具有重要的指导意义。
　　在非稳态工况下，行星轮孔内表面与轴承之间的滑移会出现剧烈的“打滑现象”。因此为降低各行星齿轮载荷不均的情况，本文采用一种齿轮轮系中使用柔性的零部件，用于补偿间隙的差异性的同时又不会产生负面的效果，即集成式柔性销轴结构。本文详细阐述其基本结构及原理，并通过材料力学计算公式和有限元模拟仿真得到的结果分别对柔性销轴结构进行了对比分析，结果基本一致，误差在合理范围内。考虑到柔性均载机构各构件的尺寸将直接决定系统的均载特性，因此为了使结构更加的合理，本文对柔性销轴结构进行了有限元的优化设计，确定了本集成式柔性销轴模型各部分关键尺寸的最佳设计尺寸。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展动态

1．2．1 风电齿轮箱轴承的研究现状

1．2．2 集成式柔性销技术研究现状

1．3 课题研究内容

第2章 风电机组行星轮系工作原理及分析方法

2．1 风电齿轮箱的发展现状

2．2 风电机组齿轮箱传动系统结构及传动比分析

2．3 行星齿轮受力分析

2．4 本章小结

第3章 风电齿轮箱虚拟样机技术介绍

3．1 ANSYS软件及有限元算法简介

3．1．1 有限元分析的目的和概念

3．1．2 ANSYS Workbench中接触类型分类介绍

3．1．3 ANSYS Workbench接触对的定义与选择

3．1．4 ANSYS Workbench分析结构的种类

3．2 有限元接触问题基础

3．2．1 接触问题分析

3．2．2 接触问题基本方程

3．2．3 经典Hertz弹性接触理论

3．2．4 非Hertz弹性接触理论

3．2．5 接触问题的罚函数法与拉格朗日法

3．2．6 过盈配合的模拟方式

3．3 本章小结

第4章 齿轮箱行星轮—轴承过盈配合部位滑移分析

4．1 引言

4．2 行星齿轮传动系统有限元分析

4．2．1 结构及工况参数

4．2．2 有限元模型

4．3 行星轮轴承滑移临界力矩分析

4．3．1 过盈配合力学分析

4．3．2 不同过盈量与滑移极限力矩的关系

4．3．3 小结

4．4 在额定载荷工况下不同过盈量对行星轮内表面与轴承外表面的滑移影响

4．4．1 不同过盈量对滑移状态的影响

4．4．2 在额定载荷工况下不同过盈量下行星轮—轴承滑移量拟合曲线

4．4．3 在额定载荷工况下不同过盈量轴承外表面滑移状态

4．5 在极限载荷工况下不同过盈量对行星轮内表面与轴承外表面的滑移影响

4．5．1 不同过盈量对滑移状态的影响

4．5．2 在极限载荷工况下不同过盈量下行星轮—轴承滑移量拟合曲线

4．5．3 在极限载荷工况下不同过盈量轴承外表面滑移状态

4．6 最佳过盈量设计下行星轮—轴承变形与应力分析

4．6．1 额定载荷条件(过盈量55μm)行星轮—轴承变形与应力分析

4．6．2 极限载荷条件(过盈量55μm)行星轮—轴承变形与应力分析

4．6．3 额定载荷条件行星轮轴承外径整体变形趋势与过盈量之间关系

4．7 最佳过盈量设计下行星轮系极限强度分析

4．8 非稳态外载下过盈配合接触分析

4．9 小结

第5章 柔性销轴机构均载分析及有限元优化设计

5．1 柔性销轴的结构原理及受力分析

5．1．1 柔性销轴的基本结构及传动原理

5．1．2 柔性销轴关键尺寸设计

5．1．3 柔性销轴理论计算基础

5．2 柔性销轴结构有限元分析

5．3 有限元结果与经典力学计算结果对比分析

5．4 柔性销轴结构有限元优化设计

5．5 小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢