大型风电机组齿轮箱齿轮的疲劳寿命分析与预测

摘要

风力发电是世界各国都在大力发展的新能源产业，风电机组作为风力发电系统的关键设备之一，其性能问题也得到了重视。齿轮箱作为风电机组的核心部件，其是否能正常运转对整个风电机组的安全工作起着决定性作用。 本文主要针对齿轮箱内传动系统各级齿轮副的疲劳寿命进行研究。以现有的风电齿轮箱的实测时间-扭矩数据依据，利用概率统计、疲劳分析、断裂力学和有限元等方法，系统全面的研究了风电机组齿轮箱内各级齿轮在随机载荷的作用下的疲劳寿命预测及疲劳裂纹扩展分析。 本文先选用雨流计数法对各个工况下的实测数据统计处理，并最后得到时间-载荷数据。将这些数据编制成在各个工况下的二维载荷谱，分析各级齿轮分别在各个工况下的疲劳应力分布，结合实测工况频率合成多工况的二维载荷谱。依据名义应力法，分别采用Miner线性疲劳累积损伤理论和Carten-Dolan非线性疲劳累积损伤理论，对各级齿轮进行疲劳寿命估算，得到应用Carten-Dolan理论得到的计算结果比应用Miner理论得到的结果更安全。之后，在此分析结果上研究齿轮的几种参数对其疲劳寿命的影响。 另外，本文还从疲劳裂纹扩展角度，以断裂力学的相关理论为基础，对增速齿轮箱具有代表性的行星轮系和高速级齿轮进行有限元分析，预测其剩余疲劳寿命，验证了上一种方法的合理性。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 风电机组疲劳分析研究现状

1．3 国内外疲劳寿命分析的研究现状

1．3．1 国外疲劳寿命分析的研究现状

1．3．2 国内疲劳寿命分析的研究现状

1．4 论文主要研究内容

第2章 疲劳载荷的统计处理与载荷谱的编制

2．1 引言

2．2 齿轮箱传动系零件的随机载荷的统计计数处理

2．2．1 随机载荷的统计计数法

2．2．2 雨流计数法

2．2．3 齿轮疲劳应力计算

2．3 齿轮箱内各级齿轮疲劳载荷谱的编制

2．3．1 单工况二维载荷谱的编制及其分析

2．3．2 多工况载荷谱的编制

2．4 本章小结

第3章 疲劳寿命的计算——名义应力法

3．1 引言

3．2 P-S-N曲线及其修正

3．2．1 P-S-N曲线

3．2．2 P-S-N曲线的修正

3．3 疲劳累积损伤理论

3．3．1 线性疲劳累积损伤理论

3．3．2 非线性疲劳累积损伤理论

3．4 某风电机组齿轮箱疲劳寿命及其影响因素分析

3．4．1 疲劳寿命的估算

3．4．2 影响疲劳寿命因素的分析

3．5 本章小结

第4章 疲劳裂纹寿命预测

4．1 引言

4．2 断裂力学相关理论

4．2．1 裂纹类型

4．2．2 疲劳裂纹扩展过程的几个重要值

4．2．3 Paris公式

4．2．4 裂纹扩展寿命预测法实现步骤

4．3 裂纹扩展的实例分析

4．3．1 有限元分析

4．3．2 疲劳裂纹扩展寿命估算

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果