齿面粗糙度对风电齿轮箱行星轮系动力学特性影响

为研究齿面粗糙度对行星轮系动力学特性的影响,提出行星轮系齿轮副动态承载接触分析与系统振动位移耦合方法。以某型兆瓦级风电齿轮箱行星轮系为研究对象,基于分形理论对轮齿粗糙表面进行分形表征,通过齿轮副啮合变形协调条件,构建齿面动态承载接触状态与构件振动位移、粗糙齿面啮合误差以及摩擦力的关联关系,建立风电齿轮箱行星轮系动力学模型,分析粗糙齿面啮合误差与摩擦力对系统动态特性的影响。结果表明：随着粗糙度的增大,齿面载荷峰值与波动幅值增大,动态啮合刚度幅值出现明显波动,均载性能降低;增大粗糙度会降低行星轮系临界转速,在低转速区域内,其具有激励增振作用,而在临界转速区域附近,其具有阻尼减振作用;摩擦力主要影响行星轮系各构件振动位移,可改变动态啮合力在少齿啮合区的幅值。     

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。     

大型风力发电机齿轮箱全柔体动力学建模与仿真分析

以SIMPACK多体动力学仿真软件为仿真平台,结合ANSYS有限元分析软件和GH Bladed载荷计算软件在充分考虑各零部件的柔性、齿轮啮合的时变刚度及轴承刚度等因素的条件下建立某型号风电齿轮箱的箱体-传动轴-齿轮的全柔性体模型,并对整个系统进行动力学仿真研究,得到系统的固有频率、各频率下的能量分布图、速度加速度等振动信号,提供一种风电齿轮箱建模新方法并为齿轮箱动态特性优化设计提供了依据。     

750 kW风力机组齿轮箱动力学仿真分析

风力发电机组系统运行时产生剧烈的振动,对齿轮箱的运行精度和齿轮寿命的影响非常大。针对这一情况,文章对齿轮箱进行了重新设计、建模。基于多体系统动力学方法、模态振动、冲击-接触理论,以750 kW型风机齿轮箱为研究对象,通过对齿轮箱的仿真分析,得出齿轮啮合和碰撞力以及动能随时间的变化曲线。文章还对高速齿轮轴进行了模态分析,得到弯曲模态振型图,并将高速齿轮轴、行星轮、行星架和齿轮Z1变为柔体进行应力分析,得到齿轮的应力分布图,为齿轮箱总体动力学特性分析及齿轮箱优化设计奠定基础。     

质量不平衡对齿轮传动系统振动影响的数值分析

对于大型高速齿轮转子系统,质量不平衡会产生周期的离心惯性力,使系统产生振动,影响强度和寿命。基于MSC.ADAMS建立齿轮系统弯扭耦合振动模型,并考虑了啮合型耦合和转子动力型耦合两种情况,将齿轮做刚性化处理而轴做柔性化处理。采用多柔体动力学分析方法仿真得出齿轮在正常啮合和齿轮质量不平衡引起的转子涡动条件下的齿轮动态激励力和齿轮中心的涡动轨迹,以此进行分析比较,为齿轮箱动力学分析提供依据。在MSC.Patran中建立齿轮箱动力分析有限元模型,利用MSC.Nastran对齿轮箱进行瞬态动力学分析,得到齿轮正常啮合和质量不平衡引起的涡动两种工况下箱体的振动特性。     

齿面点蚀程度对齿轮动力学特性影响的分析及实验研究

齿轮啮合过程中产生的齿面疲劳破坏严重影响齿轮啮合稳定性。考虑到齿轮点蚀的演化特点,以实验齿轮为研究对象,建立了六自由度齿轮系统动力学模型,分析了不同点蚀故障程度下齿轮的时变啮合刚度;根据齿轮故障演化实验台进行相关实验,并将仿真模型与实验振动信号进行对比分析。结果表明：由点蚀故障引起的时域冲击随着点蚀沿齿廓方向的扩展逐步收敛,齿轮单齿啮合区的刚度变化对齿轮振动信号的冲击作用较强。     

大型水平轴风力机柔性传动与振动分析

鉴于风力机传动轴和齿轮箱在非常规风况下易遭损坏,传动链的动态载荷和转矩波动的减少在设计过程起重要作用。考虑传动轴及齿轮箱支撑的柔性,建立十二体动力学模型。应用数字仿真,研究风力机在不同运行阶段及在不同的气动载荷和电磁转矩下的振动特性,并用遗传算法对传动系统的柔性参数优化求解。仿真结果表明柔性传动可有效抑制传动链的扭转振动。     

喷油方式对斜齿轮齿面温度的影响

为探讨喷油方式对齿面温度的影响，以斜齿轮为研究对象，通过CFD仿真和试验研究不同喷油方式对斜齿轮齿面温度的影响。针对斜齿轮喷油润滑过程的特点，分析其齿面摩擦生热量，简化轮齿喷油润滑计算模型，并基于CFX进行齿面对流换热仿真研究，得到了不同喷油方式下的齿面温度；基于功率开放式斜齿轮试验平台，对不同喷油方式下的齿面温度进行了试验测量，与仿真计算结果进行对比分析。结果表明：在高速重载斜齿轮传动系统中，啮出侧喷油润滑的方式比啮入侧喷油润滑方式的冷却降温效果要好。     

动态齿侧间隙与啮合角作用下行星齿轮传动系统动力学建模与分析

该文考虑齿轮振动对直齿行星齿轮啮合齿侧间隙与啮合角的影响,建立包含动态齿侧间隙与啮合角的行星齿轮动力学模型。以转速为控制变量,使用数值积分算法对该模型进行求解,对比该模型与早期固定齿侧间隙与啮合角模型的动力学响应特性。仿真结果表明:低转速下两种模型的预测结果基本相同,随着转速的增大,该文提出的新模型表现出更丰富的非线性特性。     

基于相位调谐的船用两级行星传动系统振动研究

为获得船用两级串联人字齿行星齿轮传动系统的振动特性,对其进行动力学第一类问题研究。基于相位调谐理论分析系统动态啮合力,定性总结了在一般情况下不同啮频谐波下的6种激励模式及其与系统参数的关系。基于Romax软件建立系统动力学仿真模型,以1 MW两级串联行星齿轮箱为例,获得了系统固有特性和稳态动力学响应。研究表明：该系统的固有特性包含5种具有规律性的振动模式,即单级横移-摆动模式、耦合横移-摆动模式、单级扭转模式、耦合扭转模式和单级行星轮模式;与单级行星轮系不同,两级串联行星轮系的稳态动力学响应与激励和模态振型不存在一一对应的情况。     

Fault diagnosis of wind turbine planetary gearbox under nonstationary conditions via adaptive optimal kernel time–frequency analysis

Planetary gearboxes play an important role in wind turbine (WT) drivetrains. WTs usually work under time-varying running conditions due to the volatile wind conditions. The planetary gearbox vibration signals in such an environment are hence highly nonstationary. Conventional spectral analysis and demodulation analysis methods are unable to identify the characteristic frequency of gear fault from such nonstationary signals. As such, this paper presents a time–frequency analysis methods to reveal the constituent frequency components of nonstationary signals and their time-varying features for WT planetary gearbox monitoring. More specifically, we exploit the adaptive optimal kernel (AOK) method for this challenging application because of its fine time–frequency resolution and cross-term free nature, as demonstrated by our simulation analysis. In this study, the AOK method has been applied to identify the time-varying characteristic frequencies of gear fault or to extract different levels of impulses induced by gear faults from lab WT experimental signals and in-situ WT signals under time-varying running conditions. We have demonstrated that the AOK is effective diagnosis of: (a) both the local damage (a single chipped tooth) and distributed faults (wear of all teeth), (b) both sun gear and planet gear faults, and (c) faults with very weak signature (e.g., the sun gear fault at the low speed stage of a WT planetary gearbox).     

风电机组传动链典型故障特征提取方法

为解决风电机组传动链易发生故障的问题,文章阐述了风电机组齿轮箱特征频率的计算方法和基于振动信号分析的故障特征提取方法。结合实际情况,以行星级齿轮磨损、中间轴小齿轮崩齿、高速轴齿轮崩齿和发电机轴承电腐蚀等典型故障为例,通过齿轮箱特征频率和传动链典型故障振动信号基本特征分析,可较好地完成故障识别。结果表明,采用经典信号处理方法能对上述典型故障进行特征提取,验证了经典方法对单一、明显故障特征提取的有效性,为深入开展传动链故障特征提取方法研究奠定了基础,为风电机组故障检修维护提供了技术支撑。     

齿轮箱振动噪声仿真分析与结构优化

为解决齿轮箱机脚结构噪声超标问题,利用LMS VituralLab软件从动力学仿真、模态、传递路径和模态贡献度几个方面对该机组进行了振动分析和噪声预估。首先,对齿轮系进行动力学仿真,得到轴承动态力。然后,采用基于模态叠加法的强迫振动响应分析方法,计算得到齿轮箱机脚位置的结构噪声。最后,针对超标现象,对齿轮箱进行传递函数与模态贡献度分析,提出结构优化方案。根据模态振型可锁定振动最敏感位置,并在此处采取增加肋板的方式。优化后的振动仿真结果及声学边界元法计算出辐射声场的声压分布表明：传递函数和模态贡献度有明显改善,齿轮箱机脚振动较优化前减小了3.2 dB,辐射声场的声压级可以满足指标要求。该仿真分析与结构优化方法可有效指导实际工程机组的优化设计。     

Time–frequency analysis based on Vold-Kalman filter and higher order energy separation for fault diagnosis of wind turbine planetary gearbox under nonstationary conditions

Planetary gearbox fault diagnosis under nonstationary conditions is important for many engineering applications in general and for wind turbines in particular because of their time-varying operating conditions. This paper focuses on the identification of time-varying characteristic frequencies from complex nonstationary vibration signals for fault diagnosis of wind turbines under nonstationary conditions. We propose a time–frequency analysis method based on the Vold-Kalman filter and higher order energy separation (HOES) to extract fault symptoms. The Vold-Kalman filter is improved such that it is encoders/tachometers-free. It can decompose an arbitrarily complex signal into mono-components without resorting to speed inputs, thus satisfying the mono-component requirement by the HOES algorithm. The HOES is then used to accurately estimate the instantaneous frequency because of its high adaptability to local signal changes. The derived time–frequency distribution features fine resolution without cross-term interferences and thus facilitates extracting time-varying frequency components from highly complex and nonstationary signals. The method is illustrated and validated by analyzing simulated and experimental signals of a planetary gearbox in a wind turbine test rig under nonstationary running conditions. The results have shown that the method is effective in detecting both distributed (wear on every tooth) and localized (chipping on one tooth) gear faults.     

Planetary gear load sharing of wind turbine drivetrains subjected to non‐torque loads

An analytical formulation was developed to estimate the load‐sharing and planetary loads of a three‐point suspension wind turbine drivetrain considering the effects of non‐torque loads, gravity and bearing clearance. A three‐dimensional dynamic drivetrain model that includes mesh stiffness variation, tooth modifications and gearbox housing flexibility was also established to investigate gear tooth load distribution and non‐linear tooth and bearing contact of the planetary gears. These models were validated with experimental data from the National Renewable Energy Laboratory's Gearbox Reliability Collaborative. Non‐torque loads and gravity induce fundamental excitations in the rotating carrier frame, which can increase gearbox loads and disturb load sharing. Clearance in the carrier bearings reduces the bearing stiffness significantly. This increases the amount of pitching moment transmitted from the rotor to the gear meshes and disturbs the planetary load share, thereby resulting in edge loading. Edge loading increases the likelihood of tooth pitting and planet‐bearing fatigue, leading to reduced gearbox life. Additionally, at low‐input torque, the planet‐bearing loads are often less than the minimum recommended load and thus susceptible to skidding. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于EMD分解和支持向量机的齿轮箱故障诊断与研究

齿轮箱存在故障时,其振动信号往往表现出非平稳特性,并且故障特征信息往往淹没在强大的背景噪声中,难以实现有效诊断.提出了采用基于EMD方法的特征能量值提取法及支持向量机的智能模式诊断方法,并将二者结合运用于齿轮箱的故障诊断,实现了齿轮箱故障的智能识别与诊断.实验结果证明了EMD方法与支持向量机相结合用于齿轮箱故障诊断的正...     

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。