基于动力学的风力发电机齿轮传动系统可靠性评估及参数优化设计

发布时间：2020-05-10 22:00

【摘要】： 随着能源和环境问题日趋严峻,风力发电在世界范围内得到快速发展,风力发电机作为风力发电系统的核心关键设备,由于其特殊的变载荷使用工况和高空架设等使用环境,要求具有长寿命(15～20年),高可靠性,重量轻,易维护及经济性,然而,国产化设计制造的风力发电机却不能满足这些条件。因此,研究变载荷条件下风力发电机齿轮传动系统的可靠性评估及参数优化设计成为解决当今国内风电设备设计制造问题的迫切任务之一。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,在风电场风速变化引起的变载荷使用工况下,对系统的可靠性评估和参数优化设计问题进行研究,为风力发电机的国产化设计制造提供科学合理的方法和理论基础。具体的研究工作如下: ①建立系统的弹性动力学模型,计入系统每个构件的平移自由度和扭转自由度,针对风力发电的特性,详细分析由风速变化引起的外部激励因素,同时还考虑刚度激励、误差激励以及阻尼对系统动力学的影响。 ②采用模态叠加法求解系统的动力学微分方程,给出在风载变化条件下,齿轮使用系数、动载系数和滚动轴承载荷系数的表达式,为载荷系数的取值提供科学合理的方法。 ③对系统进行失效模式及影响分析(FMEA),在考虑风载变化条件下,建立系统的可靠性评估模型,相对于现有的可靠性评估模型,该方法更加准确合理。 ④以体积(重量)最小为目标函数,以可靠性和等强度为约束条件,建立变工况下系统基于动力学的参数优化设计模型,并利用matlab的优化工具箱对其进行优化,优化后的设计参数能明显地降低系统的体积(重量)。 ⑤给出系统详细的实例设计过程,并与常规设计方法进行比较,结果证明本论文的可靠性评估方法比常规可靠性评估方法更加准确,优化后的设计参数能有效地提高系统的可靠度,明显降低系统的重量和体积。表明本论文的研究成果为国产化风力发电设备的设计制造提供了一条有效的途径。
【图文】：

物理模型,坐标系,行星轮,太阳轮

图 2.3 行星齿轮传动系统的物理模型和坐标系.3 Physics model and coordinate system of the planet gear transmission systempic,θ——分别为太阳轮、内齿轮和行星轮相对行星架的回转角位移；行星架的回转角位移；—太阳轮与第 i 个行星轮之间的时变啮合刚度；—内齿轮与第 i 个行星轮之间的时变啮合刚度；—太阳轮与第 i 个行星轮之间的粘性阻尼；—内齿轮与第 i 个行星轮之间的粘性阻尼；—内齿轮与第 i 个行星轮之间的综合啮合误差；—太阳轮与第 i 个行星轮之间的综合啮合误差；y——行星架径向刚度；y——行星架径向阻尼；——太阳轮径向刚度；

斜齿轮副,物理模型,坐标系,斜齿轮

1.5MW风力发电机齿轮传动系统的两级斜齿轮传动采用定轴齿轮传动，为了考虑影响滚动轴承载荷系数、齿轮使用系数和动载系数的因素，模型考虑斜传动的扭转变形、径向变形和轴向变形。这样包括斜齿轮4、斜齿轮5、斜齿和斜齿轮7共16个自由度。坐标系和方向的定义由于两级斜齿轮传动系统属于定轴轮系，所以采用绝对坐标。斜齿轮 4、斜齿轮齿轮 6 和斜齿轮 7 的旋转角位移为( )θh4,56,7h意义下同h= ,,，轴向位移为 zh，位移为 x,yhh，在定义角位移时，以输入转矩作用下各个构件产生的运动方向自的正方向，各个啮合作用线上的相对位移的方向则规定齿面受压时为正方径向和轴向位移以坐标系的正方向为正方向①②③。斜齿轮副物理模型图基于以上分析，，在考虑阻尼、综合误差和各种激励的情况下，利用集中质量法建立如图 2.4、2.5 所示的物理模型及坐标图④。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH132.41

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