风电机组两级平行斜齿轮传动系统的动力学特性方法研究

发布时间：2020-06-06 08:32

【摘要】：随着风力发电技术的不断发展,维护和宕机成本的提高,对于齿轮传动机构运动精度、稳定性、可靠性和使用寿命的要求越来越高。机构的动力学参数对传动系统非线性动力学特性的影响成为目前的研究热点。风电齿轮箱传动系统中输出高速轴的综合性能也影响系统传动精度和可靠性。对于风电机组齿轮箱而言,在随机风速的高空环境中,传动系统动力学参数和输出高速轴的综合性能对传动系统运行稳定性和精度的影响尤为重要。本文以一级行星两级平行齿轮箱为基础,取两级平行斜齿轮和输出高速轴作为研究对象,研究动力学参数对传动系统非线性动力学特性的影响和输出高速轴综合性能的影响,为该型风电齿轮箱的设计、优化等提供理论参考。本文主要研究内容及结果如下:首先,对传动系统各种激励产生的机理进行阐述,改进直齿轮啮合时变刚度计算公式,建立计算斜齿轮平均啮合刚度的公式,求取两对斜齿轮的平均啮合刚度,然后对时变啮合刚度进行Fourier计数数值模拟。误差和阻尼进行简单分析和数值模拟的近似处理。其次,建立含有齿侧间隙、时变啮合刚度、阻尼、误差的两级斜齿轮纯扭转非线性动力学模型,并依据模型运用Newton定律,建立动力学微分方程,采用Newmark数值法求解,获得系统的非线性动态响应结果。综合运用啮合力、位移时间历程图,相图和FFT图,分析齿侧间隙、阻尼和误差对该系统非线性动态特性的影响,获得动力学参数对齿轮受力、运动状态的影响规律。第三,对速度、间隙和间隙变化方式对两斜齿轮接触力影响进行了探讨。取低速、中速、高速三个速度分析对两齿轮从启动阶段到稳定阶段时的接触力变化规律。传动系统中存在单对齿轮间隙变化和两对齿轮间隙同时变化方式,针对间隙变化方式和间隙对传动系统进行动态响应分析,获得间隙变化对齿轮接触力的影响规律、不同间隙变化方式对齿轮接触力的影响规律及不同间隙变化方式随间隙变化对齿轮接触力的影响规律。不同间隙的两对齿轮用Ansys做静力分析,结合仿真结果确定齿轮合理的啮合间隙范围,为齿轮箱设计加工提供参考。最后,在传动系统输出高速轴综合性能的分析中,研究轴承支撑刚度变化对轴频率和模态的影响规律以及速度对轴节点涡动影响规律,结合Ansys中对高速轴的模态分析,合理的选择支撑刚度范围、转速范围和容易发生变形的位置。根据结果给轴的优化设计提供依据。
【图文】：

风力发电厂一般都建立在风力资源较丰富、人烟稀少的广袤地带，由于天气恶劣的原因导致风速随机变化，为了准确研究风力发电传动系统的动态特性，就必须保证风力发电机组输入载荷的准确性，所以计算随机风速下的输出功率。风力发电机组传动系统的输入功率是动态激励，传动系统在动态激励的作用下产生动态响应。特别对风电机组多级齿轮传动系统来说，动态激励的影响更加明显，为了研究风电机组齿轮箱传动系统动力学特性，熟悉动态激励的类型和产生机理是首要问题。齿轮啮合过程中产生的内、外部激励都是动态激励。内部激励主要是由误差，齿侧间隙等因素引起，分为刚度激励、误差激励等，它是齿轮啮合的主要动态激励。外部激励是由于输入转速变化和系统中的零部件不稳定等原因产生。由于齿轮啮合存在各种激励，产生的激励频率有可能会引起个别部件的共振。为了避免这种情况，让系统稳定工作，研究动态激励、阻尼的特性和作用是必要的。本文以某 2MW 风电机组一级行星两级平行轴的齿轮箱为基础，选取两级平行斜齿轮为研究对象，图 2.1a)为该型风电齿轮箱的三维模型，b)为两级平行斜齿轮的三维模型。

图 2.2 两对斜齿轮的时变啮合刚度通过式(2.11)，利用Matlab软件绘制两对斜齿轮的时变啮合刚度变化图，如上图2.2所示。2.3.2 误差激励由于齿轮的受力变形，使齿轮的传动比出现小幅度的变化，传动角度也出现偏差。这种偏差就是误差，在齿轮工作过程中产生的激励就是误差激励。误差激励不但影响齿轮传动的稳定而且会引起齿轮振动和噪声的出现。因此，研究误差激励是分析齿轮动力学的基础。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH132.41

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本文编号：2699426