基于动力学的风力机齿轮传动系统可靠性研究

为正确评估齿轮传动系统齿面接触疲劳寿命,以2 MW风力发电机齿轮传动系统为研究对象,引入风场风速变化规律并选用weibull分布建立随机风速模型。考虑外部风载以及由齿轮、轴承刚度等引起的内部载荷激励,建立行星齿轮传动系统平移-扭转动力学模型,求得传动系统各齿轮副动态啮合力并计算相应的应力历程。针对齿轮传动强度及受载随机性的特点,以轮齿的强度退化表征疲劳效应,基于非线性疲劳损伤累积理论建立剩余强度模型,在传统应力-强度干涉理论的基础上,得到随机风载作用下齿轮传动系统动态可靠度功能函数,通过摄动法对零部件的动态可靠度变化曲线进行描述。结果表明：在强度退化和随机载荷联合作用下,风力机系统各齿轮疲劳可靠度随服役时间出现逐渐下降的趋势,且服役前期可靠度下降趋势较快,中后期下降趋势逐渐减缓,强度退化形式及载荷大小影响着可靠度的变化趋势。该模型反映了齿轮传动系统可靠度随服役时间的变化规律,为产品的可靠性设计及疲劳寿命预测提供了参考。     

随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统疲劳寿命预测

针对风电齿轮传动系统在复杂随机风载下运行的特点,运用加权最小二乘支持向量机(Weight Sparse Least Squares Support Vector Machines,SLS-SVM)方法建立风场随机风速模型,进而得到随机风引起的系统外部载荷激励。建立考虑齿轮时变啮合刚度、综合啮合误差、滚动轴承变刚度的风电齿轮传动系统的平移-扭转动力学模型,求得传动系统各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力及相应的应力时间历程。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。基于Palmgren-Miner线性累积损伤法则和材料P-S-N(失效概率-应力-循环次数)曲线,预测风电齿轮传动系统各齿轮和轴承的疲劳寿命。为风力发电机齿轮传动系统动态疲劳寿命预测提供了理论方法。     

变风载下风力发电机齿轮传动系统动力学特性研究

根据风力发电机齿轮传动系统所处的由随机风速引起的复杂变工况环境,用自回归AR风速模型模拟实际风场的风速,获得了由随机风速引起的时变风载荷;采用集中质量参数法建立了传动系统的纯扭转动力学模型,求得了系统的固有频率和阵型;研究了传动系统在时变风载下的动态特性,求得了各齿轮的振动位移和各齿轮副的动态啮合力,为风力发电机传动系统的动态性能优化和可靠性设计奠定了基础。     

制动工况下风电齿轮传动系统的动力学特性分析

考虑多种内、外部因素通过仿真获得风力发电机正常制动时齿轮箱的外部载荷。采用集中质量参数法在考虑齿轮时变啮合刚度、啮合阻尼、综合啮合误差、齿侧间隙和齿面滑动摩擦力等因素的情况下建立风力发电机齿轮传动系统的纯扭转非线性动力学模型;利用数值方法求得传动系统在制动工况下各齿轮副沿啮合线的振动位移和动态啮合力等;分析齿侧间隙和齿面滑动摩擦力对风电齿轮传动系统动力学的影响。     

风电机组中两级齿轮传动系统动态温度响应与实验研究

为研究风电机组齿轮传动系统的动态温度场分布特性,以SQI风电机组传动系统实验平台中两级定轴齿轮箱为研究对象,综合考虑齿轮时变啮合刚度和轴承时变刚度对系统影响,采用有限元法并计入轴系柔性建立两级平行轴齿轮箱的齿轮-轴-轴承耦合系统动力学模型.依据传热学原理对热传导,对流换热等参数进行分析,运用有限元法对系统动态温度场进行...     

船用分扭人字齿轮传动系统振动能量与疲劳寿命研究

为了分析齿轮传动系统引起噪声的原因,实现依据疲劳寿命对传动系统的振动进行控制,建立齿轮系统中振动能量与疲劳寿命的关系。针对船用分扭人字齿轮传动系统,运用集中参数法建立了分扭传动系统的弯扭轴耦合振动的动力学模型和方程,考虑齿轮静态综合传动误差、安装制造误差和时变啮合刚度等因素,采用数值积分法计算了不同输入转速和输入功率下系统振动能量和齿轮疲劳寿命,对振动能量和齿轮疲劳寿命数据进行了分析处理,获得了传动系统的疲劳寿命随振动能量的变化规律。结果表明：随着振动能量的增加,齿轮的疲劳寿命呈指数型急剧下降;分扭级的振动能量与疲劳寿命明显小于并车级的振动能量与疲劳寿命。     

风力机增速齿轮箱行星斜齿轮系非线性动态分析

采用参数化建模方法建立了风力发电机增速齿轮箱中行星斜齿轮及其行星架的精确三维模型,应用非线性动力学理论及数值计算方法分析了该行星齿轮的齿面接触应力随时间的变化规律,得到了轮齿变形和相应的接触应力以及行星齿轮内外啮合的时变刚度曲线,同时分析了行星架的冲击应力,为该类行星齿轮结构的优化设计和分析提供了理论依据。     

风电机组行星传动系统固有特性灵敏度研究

以风力发电机行星传动系统为研究对象,计入基于相位的时变啮合刚度的影响,运用牛顿力学理论建立其平移-扭转动力学模型。基于特征值问题求解其固有频率及振型,阐述固有频率的分布规律并对系统振型特征进行描述。提出一种较精确的风力发电机行星传动系统灵敏度量化评价的方法,量化评价各刚度对系统各阶固有频率的影响程度,归纳支撑刚度、啮合刚度和扭转刚度对系统固有频率及振型的影响规律,得各刚度对系统固有特性的灵敏度,为风力发电机行星传动系统调节固有频率避开共振点和参数敏感点、改善动态性能提供理论依据。     

风电齿轮箱高速轴轴承疲劳寿命及动态可靠性分析

为探究风电机组齿轮箱高速轴圆柱滚子轴承在服役过程中的疲劳寿命和可靠度变化规律,以新疆达坂城风场年度风载荷为外部激励,建立基于威布尔分布的随机风速模型及考虑内部齿轮时变啮合刚度、轴承时变刚度等激励因素的风电齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型,通过Newmark积分法求解高速轴轴承动载荷。运用雨流计数法及Goodman平均应力修正法得到对称循环应力,结合线性损伤理论和非线性损伤理论的对比,获得轴承的接触疲劳寿命和动态可靠度。结果表明：额定功率下,在外部随机风载激励和内部齿轮-轴承耦合共同作用下,内激励仍然对系统高速轴轴承动载荷起主要作用。与线性损伤累计理论相比,非线性损伤累计理论考虑载荷加载的顺序效应,能更好地描述轴承在整个疲劳寿命过程中各阶段的疲劳损伤情况。轴承在服役过程中,前15年的损伤较小,可靠度衰减缓慢,而在后期可靠度呈现出非线性迅速下降趋势,应及时调整维护策略。     

变风况下风电齿轮箱疲劳损伤评估研究

风电齿轮箱疲劳损伤的量化是风力发电机齿轮箱设计及工程应用中亟需解决的关键问题。文章通过建立齿轮箱多体动力学模型,在考虑齿轮箱外部和内部激励条件下,使用线性疲劳损伤理论,对其在不同风况下的10 min疲劳损伤进行了研究。结果表明,在相同风况下太阳轮的短期疲劳损伤最高,齿轮的短期疲劳损伤随着短期平均风速的增大而增加。基于该评估结果,提出了一种基于SCADA风速统计数据,对风电齿轮箱齿轮长期疲劳损伤进行的评估方法。该方法可以对风电齿轮箱的长期疲劳损伤做出初步的估算,其结果对校核齿轮箱在设计寿命内的机械参数亦具有一定参考价值。     

随机风速下风力发电机传动系统动态外载荷计算

通过建立实际风场的随机风速模型、风轮气动性能模型、传动链模型、发电机模型,获得了风力发电机整机的动力学分析模型。根据变速风力发电机的控制策略,计算了随机风速和发电机负载条件下传动系统的动态外载荷,并比较了采用刚性、柔性传动链模型对传动系统动态外载荷的影响,为进一步研究风力发电机齿轮传动系统的动态特性及可靠性奠定了基础。     

风电齿轮传动系统弹流润滑特性研究

为研究风电机组齿轮传动系统的润滑特性和动力学特性,以SQI风电机组传动系统实验平台中两级定轴齿轮箱为研究对象,综合考虑齿轮油膜刚度、齿轮啮合刚度以及轴承时变刚度等,计入轴的柔性并采用有限元法建立多自由度渐开线直齿轮动力学模型,利用Newmark 积分方法求解多源时变激励下两级齿轮传动系统的动力学特性。讨论不同工况条件对油膜刚度的影响,并研究系统润滑特性、固有频率和振型的变化规律。研究结果表明,在考虑齿轮润滑效应后,齿轮啮合刚度降低,系统动态特性变化趋于敏感,系统固有特性均有所变化,其中对第11阶影响最为突出,然而在系统共振转速附近,固有特性变化趋势有所减弱。     

开关磁阻风力发电机-齿轮传动系统集成设计与分析

为实现开关磁阻型风电机组轻量化的设计目标、提高设计效率，提出一种开关磁阻风力发电机-齿轮传动系统参数集成设计方法。该方法以开关磁阻风力发电机和齿轮传动系统结构参数为设计变量，以系统质量最小为优化目标。基于有限元法计算开关磁阻发电机磁链与转矩特性矩阵。在此基础上，建立开关磁阻发电机非线性动态仿真模型以计算开关磁阻发电机动态转矩，并应用模拟退火算法优化开关角，获得最大发电机转矩，最后采用下山单纯形优化方法迭代发电机-齿轮系统质量，获得满足设计要求前提下系统质量收敛时的设计变量值。该优化过程优化套优化，可最大程度降低系统质量。上述设计流程通过脚本实现自动化运行以提高设计效率，可实现开关磁阻发电机-齿轮系统轻量化参数集成设计。基于该方法，针对8 MW风电机组进行参数设计，并与现有的相同发电容量永磁型风电机组的质量和发电机转矩性能对比。结果表面：通过该方法设计开关磁阻风力发电机-齿轮传动系统可保证发电机具有良好的转矩性能，同时可有效降低系统质量，且可极大地提升设计效率。     

电力系统次同步振荡对风力发电机轴系疲劳损伤影响的可靠性分析

为了分析电力系统发生次同步振荡时对双馈风力发电机轴系疲劳损伤程度的影响,根据2 MW级双馈风力发电机轴系机械结构,运用三质块等效数学模型,通过PSCAD软件仿真得到电力系统发生次同步振荡时风力发电机的电磁扭矩。基于雨流计数法按照电磁扭矩振荡模型制作等效载荷谱。利用Solid Works软件建立风力发电机轴系变速齿轮有限元模型,并用ANSYS软件对其模型进行网格划分与静强度分析。基于S-N曲线理论与Miner线性疲劳累积损伤方法,通过Ncode软件计算风力发电机轴系齿轮在次同步振荡扭振载荷作用下的疲劳损伤程度。分析不同次同步振荡时长对风力发电机轴系齿轮部分疲劳损伤程度的影响。分析结果有助于预测风力发电机轴系齿轮部分使用寿命,提高风电系统安全可靠性。     

不同工况下风力发电机传动系统动态外载荷计算

综合考虑风轮非定常气动载荷计算模型、传动系统动力学模型、双馈发电机模型和变速变桨距控制模型,建立风力发电机传动系统在不同工况下的动态外载荷计算模型。使用所建立的计算模型对变速变桨距型风力发电机分别在启动、运行和制动时的外载荷进行计算分析,得到增速齿轮箱的输入载荷变化规律及其影响因素。     

不同结构风力永磁同步发电机系统的优化设计与对比

以直驱和齿轮箱驱动的风力永磁同步发电机系统为研究对象,采用实数编码遗传算法对系统进行优化设计,并用有限元方法对优化结果进行验证。通过对不同驱动链结构以及不同功率等级风力永磁同步发电机系统的成本、年发电量、损耗及效率等特性进行优化设计与分析,结果表明:直驱式风力永磁同步发电机系统的年发电量最高,一级齿轮箱驱动的风力永磁同步发电机系统经济性最好,三级齿轮箱驱动的风力永磁同步发电机系统没有明显优势。     

面齿轮四分支传动系统均载特性分析

以面齿轮四分支传动系统的均载特性为研究对象,通过建立扭转角变形协调条件,结合力矩平衡条件建立均载力学分析模型。模型中引入面齿轮和人字齿轮的承载接触仿真分析技术来计算时变啮合刚度。分析制造误差、安装误差和双浮动因素对系统均载特性的影响。研究结果表明:轮齿各啮合位置表现出不同的均载特性,当I级的小齿轮径向浮动和Ⅱ级的小齿轮间隙浮动同时符合浮动条件时,可得到较好的均载性能,为进一步进行面齿轮四分支传动系统的均载结构优化设计提供理论依据。     

风电行星轮系动态传动特性分析

以风力发电机用增速齿轮箱内斜齿行星齿轮系为研究对象,考虑行星架存在的多间隙对齿轮啮合影响,建立齿轮系的非线性有限元模型,结合接触冲击动力学理论和有限元法,得到风电斜齿行星轮系的动态啮合应力和齿根弯曲应力。研究不同转速和扭矩时风电齿轮传动的特点和变化规律,分析转速和扭矩对斜齿行星传动特性的影响,并对不同扭矩和转速的齿轮啮合应力和齿根弯曲应力进行对比。结果表明:转速对啮合应力的影响较大,转速达到某一数值时,齿轮啮合过程中的应力达到最小,在此基础上增大或减小转速,应力均会增大;扭矩对应力的影响不大,但增大到或减小到一定程度会导致齿轮卡齿,建议对轮齿进行修行,以减小轮齿的应力。     

双馈式风电机组传动系统动态特性研究

针对双馈式风电机组柔性传动系统运行稳定性问题,采用集中参数质量法建立风电机组柔性传动模型,在考虑外部风载、齿轮副啮合刚度、啮合阻尼和综合啮合误差激励条件下,建立了齿轮箱内部各级齿轮副动力学方程;以市场成熟的1.5MW双馈式风电机组为计算对象,计算了柔性传动系统固有频率和齿轮箱各级齿轮动态啮合力;通过雨流计数法对齿轮动态啮合力进行数据分析,研究了传动系统运行稳定性。研究结果表明,齿轮副啮合力呈现高频波动,具有很强的时变特性,通过雨流计数分析,动态啮合力幅值与频次成正态分布规律;传动系统一阶扭转振动频率与风轮面内一阶摆阵频率偏差为6.8%,通过降低主轴质量约9.5%,提高了传动系统一阶扭转频率约11.5%,与风轮面内一阶摆阵频率偏差达16.4%。研究结果可为风电机组传动系统设计、轴承寿命计算和可靠性研究提供参考。     

考虑齿侧间隙的风力机齿轮箱行星传动系统非线性动力响应分析

分析考虑齿侧间隙的大型半直驱永磁同步风力发电机齿轮箱行星传动系统的非线性动力学响应。使用集中参数法,建立包含啮合刚度、支承刚度、齿侧间隙、传动误差以及外部载荷激励的动力学模型。应用RungeKutta算法进行求解,分别分析输入转速与齿侧间隙对系统非线性响应特性的影响。结果表明,提高转速会增大各构件的扭转振动角位移,但各频率成分未发生明显改变。此外,在齿轮存在双侧间隙的情况下,随着齿侧间隙的增大,系统的非线性逐步增强,系统冲击状态由无冲击转为单边冲击,响应类型由准周期响应转为混沌。