风电增速箱行星传动系统动力学方程及均载特性

提出一种风电增速箱用新型载荷分流式两级行星齿轮传动机构,以便提高传动系统的承载能力。以新型风电增速箱载荷分流型两级行星轮系与一级平行轴齿轮构成的多级传动系统为研究对象,计入多级耦合传动系统的轮齿啮合误差、啮合阻尼、啮合刚度,级间扭耦合刚度,组件的转动惯量等影响因素,采用集中参数法建立多级耦合传动系统的动力学模型。利用相关参数对系统的均载特性进行研究,获得行星齿轮传动的均载系数曲线。分析表明:各级内外啮合的均载系数均随时间变化且存在相位差;第一级内外啮合的均载系数分别比第二级内外啮合的均载系数分配均匀;第一级均载系数较小且内外啮合的均载系数的差别较小。     

含混合弹流润滑摩擦力的风电行星齿轮动力学模型

针对风电行星齿轮传动系统,根据齿轮啮合特性,系统地分析推导太阳轮-行星轮、内齿圈-行星轮单、双齿啮合时各啮合齿面的摩擦力臂。基于混合弹流润滑模型,分析各啮合齿面间的摩擦力。建立包含混合弹流润滑摩擦力、时变啮合刚度、传动误差与齿侧间隙等因素的多自由度的平移-扭转耦合集中参数非线性动力学模型。算例结果表明,作为一种内部参数激励,摩擦力加剧了系统沿啮合线方向的振动;与边界润滑相比,混合弹流润滑能减小系统的振动。实验证明,该模型可很好地预测风电行星齿轮的非线性动力学特性。     

计入齿圈柔性的风电机组行星传动动态特性研究

为研究齿圈柔性对风电机组行星齿轮传动系统动态特性的影响,将连续体的柔性齿圈离散成多段刚性轮齿段,以连接处的扭簧扭转刚度来量化齿圈的柔性特点。在行星架随动坐标系下,综合考虑啮合刚度、支撑刚度和齿圈柔性等因素,建立计入齿圈柔性的行星传动系统平移—扭转耦合动力学模型,继而分析齿圈柔性、齿圈支撑点数目与负载力矩对齿圈变形及系统啮合力的影响,并进一步揭示太阳轮浮动轨迹在不同齿圈支撑点数目下的表现特点。研究结果表明:工作过程中的柔性齿圈产生较大的弹性变形,致使太阳轮与行星轮啮合力幅值出现长周期波动,且其频谱中出现多个转频成分,经对比发现该转频分别为行星架转频、ζ倍行星架转频及2ζ倍行星架转频(ζ为齿圈支撑点数目)。当支撑点数目与行星轮个数满足倍数关系时,太阳轮浮动轨迹较为规律,其外轮廓与刚性齿圈条件下一致;否则,浮动轨迹外轮廓呈现出具有ζ个瓣叶的花瓣状。     

风电行星齿轮系统动态均载特性分析

以风电增速齿轮斜齿行星轮系为研究主体,考虑到太阳轮与内啮合轮间存在的多对间隙对齿轮啮合的影响,建立行星轮系几何模型,采用接触-冲击动力学理论和刚柔耦合建模分析方法,计算分析行星轮系啮合应力的分布情况,进而得到风电斜齿行星轮系在不同转速、不同扭矩下的动态均载系数。由于风力发电机常处于变风载工况下,因此研究不同转速和扭矩时行星轮系及行星轮的动态均载系数的变化规律。结果表明:随着转速的增大,行星轮系的动态均载系数变小;随着负载的增大,动态均载减小;随着啮合过程冲击逐渐变小,在轮齿啮合过程中其刚度变化平稳,同时均载系数也会更接近于1;实际工况下风载会改变转速从而带来大的冲击作用,造成行星齿轮的破坏,为了减少风电行星轮系统齿轮的破坏,应尽可能增加浮动装置。     

风电机组多级齿轮系统的故障动力学特性研究

综合考虑太阳轮支撑、时变啮合刚度和综合啮合误差等因素,建立了含太阳轮齿根裂纹故障的风电多级齿轮系统平移-扭转非线性动力学模型,研究了太阳轮齿根裂纹故障及其演化对系统动力学特性的影响。结果表明：太阳轮裂纹会影响轮齿的啮合刚度,从而影响系统的动力学响应;齿轮裂纹使得系统时域波形出现明显的周期性冲击,系统在分岔图中的运动从单周期发展为多周期;裂纹系统响应频谱中出现故障特征频率及其倍频,在啮合频率附近有大量边频成分;随着裂纹程度的加深,时域特性更加复杂,同时频谱图中故障特征频率的可识别性增强。     

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。     

风电机组行星齿轮-滚动轴承耦合系统动态特性研究

为满足行星齿轮与滚动轴承集成设计需求，基于多体动力学理论和弹性接触理论，提出一种考虑行星齿轮与滚动轴承动态相互影响且能计算各滚动体接触载荷的行星齿轮-滚动轴承耦合系统动力学建模方法。以风电机组行星齿轮滚动轴承系统为研究对象，构建其耦合系统动力学模型，研究行星齿轮与滚动轴承间的耦合作用机理。研究发现：行星齿轮对滚动轴承动态响应影响显著，受齿轮啮合力影响滚动体接触载荷与轴承偏心轨迹呈高频波动特征，设计时应充分评估行星齿轮对滚动轴承动态响应影响。     

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。     

风电齿轮箱行星轮系的齿面摩擦与齿根裂纹耦合效应计算方法

针对风电增速箱故障率偏高的问题,在对风电机组传动系统的振动响应机理进行分析的基础上,提出一种同时考虑齿根裂纹与齿面摩擦2种因素耦合情况下计算风电增速箱行星轮系动态响应的方法。首先分析考虑不同滑动摩擦因素时,含齿根裂纹缺陷的齿轮其啮合刚度的变化情况;随后运用集中参数法建立一种同时考虑平移和扭转2种力学效应相互影响作用的行星轮系动态响应计算模型。使用该模型在考虑齿根裂纹、齿面滑动摩擦2种因素耦合情况下,对行星轮系时变啮合刚度影响作用进行仿真计算。结果表明,齿面间的滑动摩擦力将导致行星齿轮扭转振动响应在低频区域受到抑制、中频区域得到增强,而齿根裂纹会导致系统出现调制效应且该效应会使行星齿轮的扭转振动频谱响应在行星轮与太阳轮间的啮合频率附近出现调制边频带现象。     

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...     

多平行轴人字齿轮功率分流传动系统的内部激励动态分析

人字齿轮具有重合度高、承载能力大等优点,多用于重载、可靠性要求高的设备中。综合采用集中参数法、多体动力学法和有限元法等手段,建立了多平行轴式人字齿轮功率分流传动系统的时变非线性动力学模型,定量分析了内部激励下系统中所有人字齿轮的左右侧动态传动误差波动、齿轮动态啮合力、齿轮中心运动轨迹及轴承力等振动响应特性。结果表明：系统中人字齿轮左右半段存在偏载,是造成系统振动与噪声的根源所在。     

Effects of floating sun gear in a wind turbine's planetary gearbox with geometrical imperfections

This paper addresses the effect of gear geometrical errors in wind turbine planetary gearboxes with a floating sun gear. Numerical simulations and experiments are employed throughout the study. A National Renewable Energy Laboratory 750 kW gearbox is modelled in a multibody environment and verified using the experimental data obtained from a dynamometer test. The gear geometrical errors, which are both assembly dependent and assembly independent, are described, and planet‐pin misalignment and eccentricity are selected as the two most influential and key errors for case studies. Various load cases involving errors in the floating and non‐floating sun gear designs are simulated, and the planet‐bearing reactions, gear vibrations, gear mesh loads and bearing fatigue lives are compared. All tests and simulations are performed at the rated wind speed. For errorless gears, the non‐floating sun gear design performs better in terms of gear load variation, whereas the upwind planet bearing has more damage. In the floating sun gear scenario, the planet misalignment is neutralized by changing the sun motion pattern and the planet gear's elastic deformation. The effects of gear profile modifications are also evaluated, revealing that profile modifications such as crowning improve the effects of misalignment. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

联轴器不对中状态对船舶轴系动力学特性影响的试验

针对某船舶高速轴系不对中状态对轴系振动的影响,建立涡轮转子-传动轴-太阳轮转子试验模型,通过调整轴承支座的标高来模拟平行不对中和转角不对中量,进行多次升降速试验获得靠近轴承处的转子的振动位移。研究表明:不同的联轴器不对中状态对轴系的临界转速没有影响;在工作转速4 200 r/min时,不同联轴器对中状态下轴系各测点基频振动幅值变化很小,靠近套齿联轴器的太阳轮右侧轴承处转子2倍频振动明显大于左侧轴承处的振动;整体抬高太阳轮轴系标高对2倍频振动的影响较小;太阳轮左侧轴承支座标高降低时各轴承处2倍频振动幅值均有一定程度的增大;降低涡轮驱动端轴承支座的标高,轴系2倍频振动幅值整体增大;各对中状态下所有测点振动幅值的计算值与试验测量值的平均偏差小于20%,不同的对中状态对涡轮机转子的振动影响均小于对太阳轮转子的影响。     

Load sharing behavior analysis method of wind turbine gearbox in consideration of multiple-errors

Conducting a further analysis on loading sharing among compound planetary gear system in wind turbine gearbox, and making a meshing error analysis on the eccentricity error, gear thickness error, base pitch error, assembly error, and bearing error of wind turbine gearbox respectively. In view of the floating meshing error resulting from meshing clearance variation caused by the simultaneous floating of all gears, this paper establishes a refined mathematical model of two-stage power split loading sharing coefficient calculation in consideration of multiple errors. Also obtains the regular curves of the load sharing coefficient and floating orbits of center gears, and conducts a load sharing coefficient test experiment of compound planetary gear system to verify the research results, which can provide scientific theory evidence for proper tolerance distribution and control in design and process.     

风能转换系统的动态矩阵控制

在实际的变速变桨风力机系统中,模型的强非线性、满负载工况下不稳定的风速及系数参数测量误差的存在,使传统的控制方法难以取得满意的控制效果,因此针对满负载工况下的风能转换系统提出了一种基于多变量动态矩阵控制的控制策略,先构建风能转化系统模型,将时变非线性模型在平衡点处线性化,得到其输入输出偏移量的线性化模型;再利用动态矩阵算法,间接控制发电机转速与功率在额定值处稳定;最后在风轮与电机转动惯量测量误差为40%的情况下进行仿真。结果表明,所得动态矩阵控制器具有较小的波动与较好的鲁棒性,能有效减小系统参数误差的影响,可在安全的工作范围内提供期望的性能,有助于提高电力系统的效率和电能质量。     

A control architecture to coordinate energy management with trajectory tracking control for fuel cell/battery hybrid unmanned aerial vehicles

Fuel cell/battery hybrid energy storage system (HESS) powered unmanned aerial vehicle (UAV) has the outstanding advantage of long endurance time. Trajectory tracking motion is a commonly used task execution mode of UAVs, especially in autonomous UAVs. This study aims at developing a control architecture to coordinate energy management with trajectory tracking control for fuel cell/battery hybrid UAVs. Its position tracking control adopts model predictive control (MPC) and an extended state observer to eliminate the modeling errors and effect of interference. The attitude tracking control adopts an auto-disturbance rejection controller having a quick response. The obtained control parameters are given as an input to the energy management block. Energy management strategies (EMSs) based on online dynamic programming and hierarchical MPC have been proposed. The results obtained from a simulation show that the proposed trajectory tracking control architecture can track the target trajectory stably with a small tracking error. The tracking performance is stable under interference. Experimental results show that dynamic programming is solved online with good control performance. Compared to ordinary EMSs, dynamic programming and hierarchical MPC can increase endurance time by 2.69% and 1.27%, respectively. The proposed control architecture verifies the coordination of energy management and trajectory tracking control, and prospected the advantages of the combination of fuel cell and autonomous driving for long endurance UAVs in the future.     

二阶波浪力下超大型半潜浮式风力机动态响应分析

针对DTU(Technical University of Denmark)10 MW风力机,使用FAST软件对典型海况下不同水动力分量作用下的半潜浮式风力机系统进行全耦合分析,包括仅一阶波浪力作用、一阶波浪力和采用Newman近似计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域二次传递函数（quadratic transfer functions,QTFs）计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域QTFs计算的二阶和频波浪力作用以及一阶波浪力和全域QTFs计算的完整二阶波浪力作用,以对比分析二阶差频、和频波浪力对超大型半潜浮式风力机动态响应的影响;基于风力机结构疲劳计算理论,分析二阶差频和频波浪力对风力机结构疲劳破坏的影响。研究发现：在极端海况下,二阶差频波浪力对平台运动响应,二阶差频及和频波浪力对半潜浮式风力机结构荷载和疲劳破坏均产生显著影响。此外,Newman近似方法明显低估二阶差频波浪力对半潜浮式风力机动态响应的影响。     

电压测量偏差对直流输电系统影响仿真研究

在RTDS实时仿真系统上模拟再现了实际直流系统曾发生的电压测量偏差引起的直流闭锁故障,证实了直流现场电压异常波动问题为电压测量偏差所致。同时在进行大量仿真的基础上,分析总结了直流系统在不同负荷水平下发生直流电压不同类型测量偏差时的运行规律。