风力发电机齿轮传动系统随机振动分析及动力可靠性概率优化设计

发布时间：2020-10-12 07:44

　　 风力发电机工作环境恶劣，常年经受无规律的变向变负荷的风力作用及强阵风的冲击，加之高空架设、维修困难等原因，对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械系统高得多的要求。作为风力发电机传动系统的关键部件，齿轮传动系统需要承受高度不稳定的随机动载荷和比其他传动机构高得多的疲劳循环，是风力发电机失效率最高的部件之一。因此，研究风力发电机齿轮传动系统的动力学行为和可靠性对提高风力发电机的稳定可靠运行有重要的现实意义。 本文结合国家自然科学基金资助项目（50975294）——“基于柔性多体动力学的风电传动系统可靠性研究”的研究任务，依据风力发电机的实际工况，针对其齿轮传动系统的动力学和可靠性等问题进行了深入研究。主要研究内容包括以下几个方面： ①风力发电机齿轮传动系统固有特性分析。 基于齿轮动力学理论和Lagrange方程，运用集中参数法建立了某1.5MW风力发电机齿轮传动系统的纯扭转动力学模型。将风力发电机齿轮传动系统中齿轮的弹性模量、质量密度、工作齿宽和分度圆直径视为随机变量，根据随机摄动理论推导了系统特征值统计特征的表达式。应用随机摄动法研究了齿轮物理参数和几何参数随机变异时系统固有频率的统计特征，定量分析了各参数随机变异对系统固有频率的影响。 ②风力发电机齿轮传动系统随机振动分析。 考虑齿轮时变啮合刚度、综合传递误差和阻尼等因素，建立了考虑制造误差的风力发电机齿轮传动系统纯扭转动力学模型。基于随机波动(SV)模型来获取风场的随机风速序列，根据空气动力学理论得到了齿轮传动系统的外部激励。系统地分析了风力发电机齿轮传动系统的内部激励特征，对刚度激励和传递误差进行了分析和模拟。提出了风力发电机齿轮传动系统外部载荷和参数随机变异时系统动态响应的求解方法。通过数值仿真得到了载荷和参数随机变异时系统各响应量和齿轮副间动态啮合力的统计特征，并分析了载荷和参数随机变异对系统动态响应的影响。 ③载荷和参数随机性对系统动力可靠性的影响分析。 依据雨流计数原则，对各齿轮副的动态啮合力进行循环计数，得到变幅疲劳载荷的频次数。采用Geber二次曲线等效方法计算得到了随机风载作用下传动系统等效应力幅值和频次。建立了基于概率疲劳累积损伤理论的风电齿轮传动系统动力可靠度模型，利用概率疲劳累计损伤理论推导计算了零件及系统的动力可靠度。研究了各参数随机变异时系统动力可靠度随时间的变化规律。分析了参数随机性对传动系统动力可靠度的影响，并将计算结果与Monte-Carlo法的计算结果进行了对比。 ④基于动力可靠性的系统概率优化设计 根据风力发电机齿轮传动系统的结构模型，以传动系统各构件扭转位移均值和体积最小为优化目标，以影响传动系统动态性能和可靠性的参数为优化设计变量，以传动系统的可靠度、参数随机性对可靠性的影响、以及各轮齿正常啮合的条件和强度等为约束条件，建立了用于风力发电机齿轮传动系统可靠性概率优化设计的数学模型。对系统优化问题的求解方法进行了探讨。对风力发电机齿轮传动系统进行了实例优化，并将优化结果与设计结果和Monte Carlo法的优化结果进行了对比，验证了本文优化方法的可行性。 ⑤风力发电机齿轮增速箱随机振动测试 根据相似理论设计制造了风力发电机齿轮增速箱，并搭建了振动测试试验台。根据风力发电机齿轮传动系统的工作特点，测量了各种随机载荷工况下各测点的动态响应，经过数值积分和统计分析得到了风力发电机齿轮传动系统随机振动的统计特征。将理论分析结果与试验结果进行对比分析，发现理论分析结果与试验结果比较吻合，从而验证了本文随机振动分析方法的正确性。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：TH132.41
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 风力发电技术发展概况
        1.2.1 风力发电机工作原理
        1.2.2 风力发电产业发展现状
        1.2.3 我国风电产业存在的问题
    1.3 齿轮系统动力学研究现状
    1.4 齿轮系统可靠性研究现状
    1.5 齿轮系统优化设计研究现状
    1.6 本文的主要研究工作及技术路线
        1.6.1 本文的主要研究工作
        1.6.2 研究技术路线
2 风电齿轮传动系统固有特性分析
    2.1 引言
    2.2 随机摄动法理论基础
    2.3 风电齿轮传动系统动力学建模
        2.3.1 风电齿轮传动系统结构形式
        2.3.2 行星齿轮动力学模型及方程
        2.3.3 平行轴齿轮系统动力学模型及方程
        2.3.4 风电齿轮传动系统动力学模型及方程
    2.4 基于随机摄动理论的系统固有特性统计分析
        2.4.1 系统特征值分析
        2.4.2 系统特征值的统计特性
    2.5 风电齿轮传动系统固有特性分析
        2.5.1 不考虑参数随机性时系统的固有特性
        2.5.2 参数随机性对系统固有特性的影响
    2.6 本章小结
3 风电齿轮传动系统随机振动分析
    3.0 引言
    3.1 考虑制造误差的风电齿轮传动系统动力学模型
    3.2 风电齿轮传动系统主要激励分析
        3.2.1 系统外部激励分析与模拟
        3.2.2 系统内部激励分析与模拟
    3.3 风电齿轮传动系统随机振动微分方程的求解
    3.4 风电齿轮传动系统随机动力响应分析
        3.4.1 外部风载对系统动力响应的影响
        3.4.2 随机制造误差对系统动力响应的影响
        3.4.3 设计参数随机对系统动力响应的影响
    3.5 本章小结
4 考虑载荷和参数随机性的风电齿轮传动系统动力可靠性研究
    4.1 引言
    4.2 可靠性理论基础
        4.2.1 可靠性概念
        4.2.2 可靠度分析中的常用函数
        4.2.3 随机变量函数的统计特征
        4.2.4 可靠性分析中常用的分布密度函数
        4.2.5 系统可靠度
    4.3 风电齿轮传动系统疲劳载荷谱
    4.4 基于概率累积损伤理论的风电齿轮传动系统动力可靠度模型
        4.4.1 概率疲劳累积损伤理论
        4.4.2 基于概率累积损伤理论的风电齿轮传动系统动力可靠度模型
    4.5 风电齿轮传动系统可靠度计算
    4.6 载荷及参数随机性对风电齿轮传动系统动力可靠度的影响分析
    4.7 本章小结
5 基于动力可靠性的风电齿轮传动系统概率优化设计
    5.1 引言
    5.2 优化设计基本理论
        5.2.1 优化设计的数学模型
        5.2.2 可靠性概率优化设计
    5.3 风电齿轮传动系统动力可靠性概率优化设计的数学模型
        5.3.1 设计变量的选取
        5.3.2 目标函数的确定
        5.3.3 约束条件的建立
    5.4 系统优化问题的求解方法
        5.4.1 机会约束法
        5.4.2 序列二次规划算法
    5.5 基于动力可靠性的风电齿轮传动系统概率优化设计
    5.6 本章小结
6 风力发电机齿轮增速箱随机振动测试
    6.1 引言
    6.2 试验方案及原理
        6.2.1 试验装置的基本组成
        6.2.2 测试系统的基本组成
        6.2.3 齿轮箱测点布置与随机振动测试方案
    6.3 风力发电机齿轮增速箱随机振动试验及数据分析
    6.4 随机振动计算结果与试验结果对比
    6.5 本章小结
7 论文总结与展望
    7.1 本课题主要工作总结
    7.2 论文的创新点
    7.3 后续研究工作与展望
致谢
参考文献
附录
    A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
    B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

【引证文献】

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1 谭秀峰;张国伟;谢里阳;何雪浤;;齿轮传动系统的动力学研究与展望综述[J];机电工程;2014年05期

本文编号：2837857