风力发电机齿轮传动系统非线性动力学研究

发布时间：2020-06-07 04:03

【摘要】：齿轮传动系统作为风力发电机的核心部件之一,在非线性因素的影响下,该系统的一些动力学行为需要进一步全面地研究,对实现系统的稳态控制、优化设计和深入理解系统的故障机理等具有深远意义。本文以风力发电机多级齿轮传动系统为研究对象,对该系统的非线性动力学特性进行了研究,主要内容包括系统的非线性动力学建模、内外激励参数变化下系统的运动稳定性、分岔特性分析以及啮合状态分析等。论文主要内容包括:1.围绕风力发电机多级齿轮传动系统,建立了其纯扭转的非线性动力学模型,模型中考虑了时变啮合刚度、综合啮合误差及齿侧间隙等非线性因素,以用于研究系统的运动稳定性和分岔特性等。2.基于非线性动力学理论和非线性分析方法如全局分岔图、最大Lyapunov指数图、相图、Poincaré截面图、时间历程图以及FFT频谱图分析了系统随激励频率、综合啮合误差、啮合阻尼以及齿侧间隙变化下的全局分岔特性,研究发现,系统在低激励频率范围内以伴随着阵发性混沌运动的周期运动为主,且混沌吸引子较小,在高激励频率范围内系统出现复杂丰富的分岔特性,如倍周期分岔、倒分岔、以及拟周期运动、多周期运动的出现,系统对激励频率的变化敏感;在一定区域变化的综合啮合误差能够令系统处于稳定状态;提高系统啮合阻尼能够抑制混沌运动的出现,并可进一步使混沌吸引子向周期吸引子转化;齿侧间隙作为系统的强非线性因素,其变化作用于不同级齿轮副会给系统带来不同的影响,其中行星齿轮传动系统中内啮合副的齿侧间隙变化影响比外啮合副的大,中间级和高速级齿轮传动系统齿侧间隙的变化总体来讲均令系统出现由混沌向周期运动的趋势。3.引入太阳轮支承刚度的影响,进一步考虑太阳轮的x、y径向位移以建立系统的平移-扭转动力学模型,分析讨论了系统随支承刚度变化下的非线性动力学特性及啮合状态,在不同支承刚度下,利用全局分岔图等分析了系统随激励频率变化下和系统随支承刚度变化下的分岔特性,采用太阳轮的x、y径向位移、最大/最小动态啮合力以及RMS,全面、深入地分析系统的啮合状态,得到了系统单边冲击和双边冲击的运动范围以及非线性特性的对应关系,比较讨论不同支承刚度下系统的啮合状态,研究发现,适当提升支承刚度能够延迟系统进入混沌运动,并具有抑制振动、减小动态啮合力等的作用。研究内容以及成果将对风力发电机齿轮传动系统的设计、制造以及可靠性的提高提供理论参考。
【图文】：

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第 1 章绪论1.1 选题背景与意义近年来，能源产业逐渐步入了清洁能源利用的时代，如核能、太阳能和风能等。其中风能已经成为全球清洁能源利用最广泛，最便捷的能源之一。在全球各国整体的能源战略中占有重要地位。据世界风能协会（World Wind Energy Association）和中国可再生能源学会风能专业委员会（Chinese Wind EnergyAssociation）相关数据的统计[1-2]可知，截止到 2016 年底，全球装机容量已经达到了 4.86 亿千瓦，，如图 1-1所示，结合历年的增长率，预估全球装机容量在 2017 年可达到 5.4 亿千瓦。图 1-2所示为 2006 年~2016 年中国（除台湾地区）新增/累计装机容量统计图，由图可知 2016年全国累计装机容量达到 1.687 亿千瓦，虽然 2016 年新增装机容量有所前年回落，但累计装机容量仍每年递增。

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华北电力大学工程硕士学位论文主要部件的替换。图 1-4 为风力发电机各部件故障率统计图，分析此图可知机故障率高的前五名依次为变桨/液压系统、其他部件如舱门，梯子等、发箱以及叶片。齿轮箱作为一体化结构最高的部件，一旦出现故障很难通过理，也致使其成为了替换次数最高的部件，从另一个角度来讲齿轮箱也成机组停机时间最多的部件之一。图 1-5 所示为风力发电机维修成本统计图箱系统的故障维修替换成本最高，占 230,000 欧元左右。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315;TH132.41

【参考文献】