基于有限元法的风力发电机齿轮传动系统动态特性研究及优化设计

发布时间：2020-03-19 13:15

【摘要】： 增速传动齿轮箱是风力发电机中最重要的组成部件之一,其工作性能对整个系统有着至关重要的影响。随着风力发电机单机功率的不断提高,以及齿轮箱所处的高空支架和变载荷工况等恶劣的运行环境,对齿轮传动系统的设计、制造、安装等提出了特殊要求,其动力学行为的研究已经成为国内外关注的热点课题。由于我国国产风力发电机齿轮箱的振动噪声普遍比国外产品严重,因此齿轮传动的振动和噪声研究便成为风力发电设备国产化中亟待解决的重要课题之一。论文课题受国家自然科学基金项目和国家支撑计划项目资助,以1.5MW风力发电机齿轮传动系统为研究对象,在全面考虑风力发电机齿轮箱系统在运行过程中的内部激励和由风速变化引起的外部激励的情况下,通过有限元方法对风力发电机增速箱系统进行了动态特性研究,对风力发电机增速箱的设计和振动噪声的控制具有重要的理论价值和指导意义。具体的研究工作如下: ①用有限元法建立了包含齿轮副、传动轴和箱体的齿轮系统完整的动力学模型,该模型较好地反映了齿轮传动系统各部分的动态耦合效应。 ②全面研究了齿轮系统振动和噪声的产生机理,用有限元分析方法和误差近似等效方法模拟了齿轮啮合时的内部激励,并给出了由风速变化引起的外部激励,为齿轮系统振动响应分析作好了准备。 ③用I-DEAS软件对风力发电机齿轮箱系统进行了有限元模态分析,得到了系统的前10阶固有特性。分析结果表明在使用过程中不会发生共振现象。 ④全面考虑风力发电机齿轮传动系统的内部激励和外部激励,利用振型叠加法对齿轮箱系统进行了振动响应有限元数值模拟,得出在动态激励下齿轮箱的振动时域响应,结果具有良好规律性,增速箱的振动烈度为0.6026,表明齿轮箱振动情况良好,符合风力发电机的使用要求。 ⑤在求得系统振动响应的基础上,应用结构噪声分析方法,预估系统在计算点的结构噪声。计算结果证明,结构噪声的峰值发生在齿轮传动系统的啮合频率的倍频处。 ⑥以振动加速度最小为目标,以动应力和位移为约束条件对齿轮传动系统进行了动力响应优化设计,分析了齿轮传动系统动力响应优化设计结果,降低了齿轮传动系统的振动幅值和动态变形。
【图文】：

齿面点蚀,现象

图 1.1 齿面点蚀现象图 1.2 齿轮传动断齿图Fig.1.1 Tooth surface corrosive pitting Fig.1.2 Tooth fracture of gear-box齿轮箱的工作主体是齿轮和转动轴，风力发电机运转时，来自外界风载荷的冲击、齿轮副啮合刚度的变化以及由于误差等原因都可能导致齿轮传动系统发生振动，当激励频率与齿轮转子系统的固有频率相等或相近时，振动幅值达到最大，振动最剧烈，严重时可能会导致齿轮箱的破坏、传动系统失效。因此，有必要对齿轮传动系统的振动特性进行研究。1.4 国内外齿轮系统的动态特性研究状况随着现代齿轮传动技术的发展，对其动态性能提出了越来越高的要求。对齿轮传动的振动和噪声的严格要求，促使人们在齿轮动力学方面进行深入的研究。近几十年来，在以齿轮传动系统为研究对象的动态特性分析方面取得了不少的研究成果，并逐步应用到齿轮系统的设计中。1991 年，，Kahraman[13]考虑时变啮合刚度和直齿轮传动的间隙非线性因素，

断齿,齿轮传动

图 1.1 齿面点蚀现象图 1.2 齿轮传动断齿图Fig.1.1 Tooth surface corrosive pitting Fig.1.2 Tooth fracture of gear-box齿轮箱的工作主体是齿轮和转动轴，风力发电机运转时，来自外界风载荷的冲击、齿轮副啮合刚度的变化以及由于误差等原因都可能导致齿轮传动系统发生振动，当激励频率与齿轮转子系统的固有频率相等或相近时，振动幅值达到最大，振动最剧烈，严重时可能会导致齿轮箱的破坏、传动系统失效。因此，有必要对齿轮传动系统的振动特性进行研究。1.4 国内外齿轮系统的动态特性研究状况随着现代齿轮传动技术的发展，对其动态性能提出了越来越高的要求。对齿轮传动的振动和噪声的严格要求，促使人们在齿轮动力学方面进行深入的研究。近几十年来，在以齿轮传动系统为研究对象的动态特性分析方面取得了不少的研究成果，并逐步应用到齿轮系统的设计中。1991 年，Kahraman[13]考虑时变啮合刚度和直齿轮传动的间隙非线性因素，
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH132.41

【参考文献】