齿轮故障状态下MW级风电机组传动系统动态特性及关键部件有限元分析

发布时间：2017-07-29 06:01

  本文关键词：齿轮故障状态下MW级风电机组传动系统动态特性及关键部件有限元分析

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【摘要】：日益严重的环境污染与不可再生能源的不断匮乏,使得风能以崭新的角色登上可利用新能源的榜单。同时,由于其资源储量大、安全可靠以及清洁可再生等诸多优点,使其成为新增电力供给的中坚力量。但因其所处工作环境的特殊性,一旦发生故障维修困难且花费巨大,因而对其各个部件的使用寿命及可靠性提出了很高的要求。齿轮传动系统作为风电机组的关键部件,其工作性能的优劣直接影响整机运行的安全可靠性。因此,对其做动态特性研究就显得十分必要。本文以1.5MW风电机组齿轮传动系统为研究对象,通过建立随机风速模型、传动系统动力学方程组以及多种齿轮故障状态下的数学模型,对整个传动系统在不同齿轮故障状态下的动力学特性来分析研究,并找出其影响特征和规律,为风电机组故障发现与预警提供一定的理论依据。最后对系统中的关键部件行星轮系进行了有限元分析。具体研究内容和研究结论包括:(1)基于风资源的特性,利用谐波叠加法建立了随机风速模型。并以该随机风速为基础,获得了风轮的转矩时程图,为风电机组齿轮传动系统的动力学分析提供了外部激励这一条件。(2)利用集中质量法,在考虑了齿轮时变啮合刚度、轴承支承刚度等因素的影响,建立起风电机组齿轮传动系统的动力学微分方程。此模型充分考虑了各部件的受力情况,更准确地描述了系统的实际工况,为后面系统在齿轮故障状态下的动态响应分析提供了基础。(3)根据不同齿轮故障的特点,建立了风电机组传动系统齿轮在不同故障下的时变啮合刚度模型;并得到齿轮传动系统在不同齿轮故障下的动力学特性响应,研究分析了其对齿轮传动系统产生的影响。研究结果表明:不同形式的齿轮故障会对系统动态响应幅值产生不同程度的波动,齿根裂纹故障所产生的幅值波动较为明显,且其啮合力幅值波动呈现出不对称现象。(4)对齿轮传动系统关键部件行星轮系进行了有限元分析。首先,对其进行了模态分析,并得到固有频率和振型,为避免产生有害振动提供了参考;其次,仿真分析了其在随机风载下的瞬态动力学,得出其最大的应力、应变云图及相应的时程图。结果表明,行星轮系应力与应变的变化趋势与外激励保持一致,为研究其应力与应变的变化提供了一定的参考。
【关键词】：随机风速 齿轮传动系统 故障齿轮 动力学响应 有限元分析
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315;TH132.41
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-14
• 第1章 绪论14-19
• 1.1 课题背景和意义14
• 1.2 国内外研究现状分析14-18
• 1.2.1 在齿轮接触分析研究方面14-15
• 1.2.2 在齿轮系统动力学研究方面15-16
• 1.2.3 在故障齿轮系统动力学研究方面16-17
• 1.2.4 在风电齿轮传动系统动力学研究方面17-18
• 1.3 本文主要研究内容18-19
• 第2章 齿轮动力学基础及齿轮故障类型介绍19-27
• 2.1 引言19
• 2.2 齿轮系统振动分析模型19-22
• 2.2.1 扭转型分析模型19-20
• 2.2.2 齿轮系统啮合耦合型振动分析模型20-22
• 2.2.3 齿轮系统动力学模型的求解方法22
• 2.3 齿轮故障类型及其成因22-26
• 2.3.1 轮齿折断23
• 2.3.2 齿面磨损23-24
• 2.3.3 齿面胶合24
• 2.3.4 齿面点蚀与剥落24-25
• 2.3.5 齿面塑形变形25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 随机风速模型与传动系统动力学模型的建立27-39
• 3.1 引言27
• 3.2 风速27-29
• 3.2.1 风速随时间的变化27-28
• 3.2.2 平均风速28
• 3.2.3 脉动风功率谱密度28
• 3.2.4 相干函数28-29
• 3.3 谐波叠加法29-30
• 3.4 随机风速模拟计算的结果30
• 3.5 模拟风速下的输入转矩30-31
• 3.6 风电机组齿轮传动系统结构及假设31-32
• 3.7 坐标系的选取32-33
• 3.7.1 系统坐标系32
• 3.7.2 坐标变换32-33
• 3.8 齿轮传动系统动力学建模33-38
• 3.8.1 行星架动力学建模33-34
• 3.8.2 太阳轮动力学建模34-35
• 3.8.3 行星轮动力学建模35-36
• 3.8.4 平行轴齿轮副动力学建模36-38
• 3.8.5 传动系统总动力学方程38
• 3.9 本章小结38-39
• 第4章 齿轮传动系统在齿轮故障状态下的动态响应39-59
• 4.1 引言39
• 4.2 齿轮传动系统参数的设置39-40
• 4.3 齿轮传动系统激励分析40-50
• 4.3.1 时变啮合刚度产生原理及规律40
• 4.3.2 无故障齿轮啮合刚度的数学模型40-42
• 4.3.3 齿根裂纹故障齿轮啮合刚度的数学模型42-44
• 4.3.4 齿面点蚀、剥落故障齿轮啮合刚度的数学模型44-46
• 4.3.5 齿面磨损故障齿轮啮合刚度的数学模型46-49
• 4.3.6 各故障状态下太阳轮啮合刚度的对比分析49-50
• 4.4 故障齿轮传动系统在随机风速下的动态响应50-58
• 4.4.1 正常状态下的动力学响应51-52
• 4.4.2 齿根裂纹故障状态下的动态响应52-54
• 4.4.3 齿面点蚀、剥落故障下的动态响应54-56
• 4.4.4 齿面磨损故障下的动态响应56-58
• 4.4.5 分析与讨论58
• 4.5 本章小结58-59
• 第5章 行星轮系模态及瞬态动力学分析59-68
• 5.1 引言59
• 5.2 有限元法基础理论59-62
• 5.2.1 有限元基本思想59
• 5.2.2 有限元法分析步骤59-62
• 5.3 模态分析基础62-63
• 5.3.1 模态分析理论基础62
• 5.3.2 模态分析步骤62-63
• 5.4 行星轮系的模态分析63-65
• 5.4.1 模型的建立63
• 5.4.2 网格划分及约束添加63-64
• 5.4.3 结果及分析64-65
• 5.5 行星轮系瞬态动力学分析65-67
• 5.5.1 瞬态动力学分析步骤及载荷约束设置65
• 5.5.2 结果及分析65-67
• 5.6 本章小结67-68
• 总结与展望68-70
• 总结68-69
• 展望69-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-75
• 附录A 攻读学位期间发表的科研成果目录75-76
• 附录B 参加科研项目情况76

【参考文献】

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本文编号：587691