兆瓦级风力机增速齿轮传动系统动力学分析与动态性能优化设计

摘要

齿轮增速箱是风力发电机组的关键部件，由于其在随机自然风场和野外高空架设等使用环境下运行，要求比一般机械系统具有更高的可靠性和使用寿命。兆瓦级风力发电机组多采用行星齿轮传动系统，具有低速重载变载荷变转速运行的特点。针对风力发电传动系统的实际工况特点，研究多级行星齿轮传动系统动态性能，有利于突破大型风电能源装备传动装置的核心技术，推动大型风电传动装备设计制造的国产化进程。
　　本课题研究的从系统角度出发，用科学的建模取代半经验的计算，用先进的的动态设计取代传统的静态设计，用先进的现代设计技术设计出较为理想的振动小、质量轻的齿轮系统装置。本文在引入以随机风载为主要外部激励，并考虑啮合振动主要内部激励的条件下，研究风力发电机增速齿轮传动系统的动力学特性，主要研究内容包括:
　　1.根据机械振动理论，将齿轮副处理为啮合线上的阻尼弹簧，采用集中参数法建立传动齿轮系统纯扭转振动力学模型，并导出其振动微分方程，并对系统的轮齿啮合刚度、内部时变载荷和外部时变风载等主要激励因素进行了分析。
　　2.根据近海风场自然风的特性，基于威布尔分布特征建立了用于随机模拟风速模型，运用风力机气动理论建立了风力机气动载荷计算模型，建立了反映风力发电机组运行过程的风-机-电联合仿真模型，利用该模型进行仿真计算，得到风电传动系统的外部动载荷，并分析了该动载荷的作用规律和性质。
　　3.用UG软件建立了包含齿轮副、传动轴和箱体的齿轮系统完整的几何和物理三维模型，用ANSYS软件对上述齿轮系统进行了有限元模态分析，得到了齿轮系统的固有特性;预估了在齿轮动态激励下齿轮箱的动态响应，较全面地研究了齿轮系统的动态特性。
　　4.利用改进遗传优化设计算法，以齿数、模数、螺旋角等为设计变量，齿轮传动系统动态性能最优和各齿轮总质量最小为目标，建立了增速箱传动系统动力学优化设计模型。与优化前相比较，优化后的传动系统重量减轻、低阶固有频率明显提高、动态特性明显改善。
　　5.进入风力发电机机舱内，对正在运行的齿轮系统进行了实验研究，得到了齿轮箱表面径向振动加速度，并与动力学理论计算结果进行了比较，结果基本一致，表明了所建模型的正确性，并且为下一步开展研究提供了方向和指导。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 风力发电机组简介

1．3 风力发电增速齿轮传动系统

1．3．1 风力发电增速齿轮传动系统简介

1．3．2 我国风力发电齿轮箱产业发展现状

1．4 风力发电机组齿轮箱传动系统国内外研究现状

1．4．1 多级行星齿轮传动系统动力学研究现状

1．4．2 齿轮传动系统动态激励及其求解方法研究现状

1．4．3 齿轮传动系统优化设计研究现状

1．5 本文的主要研究内容及技术路线

1．5．1 本文的主要研究内容

1．5．2 研究技术路线

1．6 本章小结

第二章 风电增速齿轮传动系统动力学模型

2．1 引言

2．2 风电齿轮传动系统物理模型

2．2．1 传动系统结构形式

2．2．3 动力学分析计算等效模型假设

2．3 各级齿轮传动系统参数及理论模型

2．3．1 齿轮传动系统主要参数简介

2．3．2 低速和中速级行星齿轮系统动力学模型

2．3．3 高速级平行齿轮系统传动动力学模型

2．4 风电齿轮传动系统耦合动力学模型

2．4．1 风力发电齿轮传动系统物理模型

2．4．2 齿轮传动系统动力学微分方程

2．5 振动方程的标准形式

2．5．1 自由度向量

2．5．2 质量矩阵

2．5．3 阻尼矩阵

2．5．4 刚度矩阵

2．5．5 载荷向量

2．6 本章小结

第三章 齿轮传动内部激励与外部激励载荷分析与模拟

3．1 引言

3．2 传动系统刚度分析

3．2．1 齿轮时变啮合刚度

3．2．2 齿轮传动轴扭转刚度

2．4．2 行星架扭转刚度

3．3 齿轮传动系统阻尼分析

3．3．1 齿轮副啮合阻尼

3．3．2 齿轮传动轴扭转阻尼

3．4 传动系统外部激励风速模型

3．4．1 威布尔分布风速模型

3．4．2 风速模型参数的确定

3．5 近海风场风力机组风载荷数值计算方法

3．5．1 平均风速特性

3．5．3 脉动风速特性

3．6 近海风机风速模拟计算和风轮受力模拟

3．6．1 风机风速模拟计算

3．6．2 风轮受力分析模拟

3．7 本章小结

第四章 风力发电机齿轮传动系统动态特性分析

4．1 引言

4．2 齿轮传动系统振动方程求解

4．3 齿轮传动系统固有频率和振型计算

4．4 扭转振动动态响应求解

4．5 自由振动时频分析

4．6 外部风载输入激励对系统动态响应

4．7 本章小结

第五章 基于改进遗传算法的风电齿轮传动优化设计

5．1 引言

5．2 优化设计的数学模型

5．3 优化数学模型建立

5．3．1 设计要求及设计变量

5．3．2 目标函数确定

5．3．3 优化设计目标无量纲化

5．3．4 约束条件确定

5．4 基于改进遗传算法的齿轮系统优化设计

5．5 齿轮参数优化结果与分析

5．6 目标函数优化结果与分析

5．6 本章小结

第六章 风电齿轮传动系统模态分析与多体动力学分析

6．1 引言

6．2 基于UG的风电机组齿轮传动系统模型

6．2．1 齿轮传动系统的基本结构

6．2．2 齿轮参数化建模

6．2．3 行星架建模

6．2．4 齿轮传动系统装配体建模

6．3 基于ANSYS的齿轮箱传动系统模态分析

6．3．1 模型导入到有限元软件中

6．3．2 有限元模型网格划分

6．4 计算有限元模型的模态并分析结果

6．5 基于ADAMS的齿轮动力学分析

6．5．1 UG模型与ADAMS模型的转换

6．5．2 齿轮传动系统在ADAMS中的约束处理

6．5．3 齿轮传动系统无故障状态下的动力学分析

6．5．4 齿轮传动系统轴不对中故障状态下的动力学分析

6．6 本章小结

第七章 风电齿轮传动系统动力学特性实验研究

7．1 引言

7．2 风力发电机整体结构和运行参数介绍

7．3 风电增速器额定转速下特征频率

7．4 实验装置及测试系统的基本组成

7．4．1 实验装置的基本组成

7．4．2 测点位置选择

7．5 风力发电机齿轮增速箱运行振动试验及数据分析

7．5．1 额定风速时一号机组振动信号分析

7．5．2 低于额定风速时二号机组振动信号分析

7．6 试验结论

7．7 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

发表论文及参加科研情况说明

致谢