随机风作用下风力发电机齿轮传动系统动力学及动态可靠性研究

发布时间：2020-07-28 14:40

【摘要】：随着能源和环境问题日趋严峻，风能作为一种清洁、可再生能源受到了广泛的关注和应用，风力发电技术也得到了快速的发展。风力发电机齿轮传动系统作为风力发电系统的关键部件之一，主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速，其性能好坏直接决定了风力发电机性能的好坏。由于风力发电机组工作在变载荷的恶劣工况，处于高空架设，维修困难，这就对齿轮传动系统运行的动态性能和可靠性提出了很高的要求。因此，研究在随机风速工况下风力发电机齿轮传动系统的动态特性和可靠性是风力发电机设计中的重要任务之一。本课题结合国家自然科学基金资助项目(50975294)的主要内容，并考虑风力发电机在随机风速工况下运行的工作特点，针对风力发电机齿轮传动系统的动力学和动态可靠性问题开展了较全面深入的研究。主要研究内容包括以下方面： 1.风力发电机随机风速模型研究为了更真实的反映传动系统的外部激励，基于风能和风资源的数学描述以及风力发电机的工作特点，研究了风力发电机齿轮传动系统的外部激励。采用基于机器学习的加权最小二乘支持向量机（Weight Sparse Least Squares Support VectorMachines，WSLS-SVM）模拟随机风速，结合风力机气动理论计算得到相应的转矩载荷作为系统的外部激励，为风力发电机齿轮传动系统的动力学分析奠定基础。 2.风力发电机齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学研究基于齿轮啮合理论和Lagrange方程，考虑了轮齿啮合误差、齿轮副的时变啮合刚度及滚动轴承的时变啮合刚度等因素，运用集中参数法建立了MW级风力发电机齿轮传动系统的耦合动力学模型，计算了风力发电机齿轮传动系统的固有特性，系统地分析了风力发电机齿轮传动系统的内部激励特征。在模拟真实风场随机风速的基础上，将由随机风速变化引起的随机风载荷作为系统的外部激励，求解了风力发电机齿轮传动系统的动态响应，并对齿轮传动系统振动特性进行了分析。求得了在随机风载作用下系统各齿轮和各轴承的动载荷，对比分析了系统动态响应随外部激励变化的规律，为风力发电机动态可靠性分析和疲劳寿命预测提供了基础。 3.风力发电机齿轮传动系统的动态可靠性分析根据随机风作用下各齿轮和轴承的动载荷，基于有限元方法、赫兹接触理论和准静态方法，求得了系统各齿轮副和各轴承的动态接触应力。采用雨流计数法和数理统计理论，得到系统各构件动态接触应力的概率分布形式，并利用MonteCarlo仿真试验得到零件疲劳强度的概率分布。将载荷作用过程视为随机过程，强度视为随机变量，建立零件的随机过程功能函数，利用一次二阶矩和摄动法求得关键零部件的可靠性指标及可靠度随时间变化关系，根据传动系统的结构形式，建立风力发电机齿轮传动系统的动态可靠性模型，进而得到系统的可靠度随时间变化规律。对系统输入随机载荷进行统计分析和分级处理，编制了用于疲劳寿命试验的试验载荷谱，为可靠性动态设计和疲劳破坏试验提供基础。 4.考虑失效相关的风电齿轮传动系统动态可靠性分析在对风力发电机齿轮传动系统各齿轮副和各滚动轴承应力-时间历程统计分析的基础上，考虑在齿轮和轴承的相互耦合作用、零件失效相关性以及强度退化等因素，从系统层面上应用应力-强度干涉模型，将载荷作用过程看作随机过程，建立了考虑失效相关性的风力发电机齿轮传动系统动态可靠性模型，得到了系统可靠性随时间变化规律，研究了强度退化对系统可靠性的影响规律，并与不考虑失效相关性的动态可靠性模型进行对比，揭示出失效相关性对传动系统的可靠度具有正相关的特性。 5.风力发电机齿轮传动系统疲劳寿命预测应用雨流计数法统计循环参量，结合Goodman公式将工作循环应力水平按等寿命原则转换为对称循环下的疲劳应力谱。考虑影响零件疲劳强度的各种因素，由材料的P-S-N曲线得到零件的P-S-N曲线，基于Palmgren-Miner线性累积损伤法则建立了关键零件的疲劳寿命预测模型，对系统各齿轮和轴承的疲劳寿命进行估算，为风力发电机齿轮传动系统的疲劳寿命预测提供了理论方法。 6.风力发电机齿轮传动系统动态性能与疲劳寿命试验研究基于相似原理设计制造了用于试验的风电齿轮箱，搭建了风电试验齿轮箱动态测试和疲劳寿命试验台，开展了试验齿轮箱的动态测试试验和疲劳寿命试验，将仿真模型计算结果和试验结果进行了对比分析，验证了仿真模型的正确性和有效性，对随机风作用下风力发电机齿轮传动系统动力学和可靠性试验研究进行了初步探索，为风力发电机齿轮箱的设计和应用提供了理论和试验基础。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315;TH132.41
【图文】：

风力发电机,齿轮传动系统

风力发电机作为风能利用的核心装备，主要由叶片，传动主轴及连轴器，增速传动箱，发电机，偏航及变桨机构，机舱和塔架等几个组成部分。增速箱作为风力发电机中连接叶轮和发电机的重要部件，具有结构紧凑、承载能力大、长寿命和高可靠性等技术特点。其性能的好坏直接决定风力发电机组性能的好坏，由于风电机组安装在高山、荒野、海滩等风口处，工作环境非常恶劣，其齿轮传动系统在随机风作用下承受高度不稳定的动载荷和疲劳循环，是风力发电机失效率最高的部件之一，根据国际风能大会的数据分析，风力发电系统的失效 12%来自于齿轮箱的失效，大约是工业齿轮箱平均失效机率的两倍[3]。同时，随机风载条件下齿轮和轴承之间的动态耦合作用，使传动系统的动载荷加剧，也是导致系统中齿轮和滚动轴承失效率高的主要因素[4]。传统采用的稳定载荷下的齿轮传动系统设计方法已经无法满足风力发电机随机风载条件对传动系统设计的要求，深入研究变工况随机风载条件下风力发电机齿轮传动系统的动力学和可靠性，对提升风力发电机增速箱的整机性能、解决风力发电机性能和使用寿命的瓶颈问题，对发展风能技术进而对国家能源安全和环保事业具有重要意义。

瞬时风速,风速

图 2.1 表示了阵风和平均风速的关系。平均风速的分布用数学概率分布来描述，常用的平均风速累积分布为威布尔（Weibull）和瑞利（Rayeigh）分布。由于 Weibull分布有尺度参数和形状参数两个参数，分别控制风速分布的宽度和平均分布，对风速分布的描述更加准确，因此通常采用 Weibull 分布描述风速分布规律。风的变化是随机的，任一地点的风向、风速和持续时间都是变化的，为定量的衡量风力资源，将风向分成若干个方位，根据各方向出现的频率按相应的比例长度绘制在图上，形成如图 2.2 所示的风能玫瑰图，它同时含有风向和风速的信息，反映风能资源的特性。风能玫瑰图上的射线长度是某一方向上的风速频率和平均风速三次方的乘积，用以评估各方向的风能优势。

齿轮传动系统,风力发电机,典型结构

图 2.3 风力发电机齿轮传动系统典型结构图.3 Typical structure diagram of the wind turbine gear transmission sys机组工作状况的复杂性和载荷变化的多样性与随机性，具有随机变化的波动性特征。风力发电机在切入与切出所受的载荷会随着风速的变化而变化，并呈现较为典型机组控制方式的不同，如失速控制、集中变桨距控制或荷会有一定的变化。而且，由于外部扰动因素引起的瞬切出，快速变桨距调节，叶尖展开及正常制动等，一般，甚至出现瞬时反向载荷。这些载荷一般要求在进行齿其影响予以考虑。另外，风力发电机会遇到极端风况、发风等引起的极端载荷。荷外，包括齿轮箱在内的整个风电机组的工作环境是一个多的多体柔性动力学系统，因而其工作载荷的动态特征将导致齿轮箱齿轮传动系统各零部件的动态载荷也随机变化

【引证文献】