前端调速型风电机组动力学建模与运行特性研究

基于先进的机械调速与伺服控制技术,提出了一种带有发电机前端无极调速器的混合传动风电机组方案,以实现变速恒频。利用集中质量与拉格朗日方法,建立该机组传动系统动力学模型。并利用动力学方程建立1.5 MW前端调速型风电机组的Simulink仿真,实现对机组调速精度、功率消耗、电流谐波与低电压穿越能力等运行特性的深入研究。结果表明:在不同的风速条件下,所提机组不仅可以在调速功率消耗较小的情况下输出恒频电能(占比小于输出功率的15.25%),还可以有效抑制电流谐波污染,改善机组低电压穿越能力。理论分析与仿真研究验证了该机组的实用性和优越性。     

大功率风电齿轮箱系统耦合动态特性研究

大功率风电齿轮箱为风力发电机组关键部件之一,其工作特性对风电机组稳定运行具有重要影响。针对某大功率风电齿轮箱参数及工况,考虑斜齿轮副时变啮合刚度和传递误差激励,建立齿轮箱传动系统子结构模型;基于均匀弯曲Timoshenko理论,建立齿轮箱箱体子结构模型;根据传动子结构和箱体子结构系统变形协调条件,建立大功率风电齿轮箱系统耦合动力学模型,对系统振动响应进行计算分析。研究表明:各级齿轮啮合激起结构响应频率,结构响应频率与系统齿轮啮合频率未发生共振;在系统振动加速度响应频率成分中,除三级齿轮传动啮合频率外,存在调频现象,并将研究结果与试验结果进行对比分析。     

变风载下风电齿轮箱内部激励规律研究及动态特性优化

风电齿轮箱作为风电机组的关键部件,其动态特性直接影响整个机组的运行。以某兆瓦级风电齿轮箱为研究对象,考虑箱体、行星架的结构柔性后,建立风电齿轮箱耦合动力学模型,并分析了其动态响应。针对单一工况所得的齿轮修形量未必适用于其它工况的问题,对各工况下的风电齿轮箱各级齿轮副内部激励进行了加权处理,以各齿轮内部激励和最小为优化目标,基于遗传算法寻求适用于多工况的最优修形量,并结合齿轮宏观参数优化来改善风电齿轮箱的动态响应。结果表明,通过宏观参数优化及齿轮修形后,各工况下风电齿轮箱的振动加速度及结构噪声均得到了有效改善。研究结果为兆瓦级风电齿轮箱动力学特性优化提供了依据。     

齿轮箱结构噪声预测

从齿轮传动系统的动力学仿真出发,利用有限元分析求解齿轮箱的动态响应,将响应结果作为边界条件,由边界元方法对齿轮箱结构噪声进行预测,同时对齿轮箱辐射噪声进行了声强测试,并与预测结果进行比较。结果表明,该方法能够有效预测齿轮箱结构噪声的声学特性,为齿轮箱的噪声控制与结构优化提供了可靠的依据。     

计入结构柔性的风电齿轮箱行星轮系动力学特性研究

针对常规梁/壳单元无法考虑复杂构件几何特征、计算精度低和大规模有限元计算量大、系统级建模与动态分析困难的问题，提出一种计入结构柔性的行星轮系变速动力学建模方法。以某型5 MW级风电齿轮箱低速级行星轮系为研究对象，根据内齿圈结构及边界特征，采用有限元缩聚理论建立内齿圈轮齿与弹性支撑的耦合关系，通过引入啮合副变速表征变量和内齿圈虚拟振动线位移，将驱动轮转角与行星轮系多轮齿啮合状态进行关联，并计入行星架和太阳轮轴柔性，利用界面位移协调条件将各构件耦合，建立行星轮系变速动力学模型。研究结果表明，当5个行星轮受力平衡时，内齿圈轮齿节点瞬态变形整体呈“五角星”形状，并随着行星架旋转；行星轮系轮齿动载荷先增大后减小，变化趋势与单对齿啮合刚度相似；稳态工况下的内齿圈轮齿节点振动位移呈现大幅低频波动和高频振动的叠加特征；输入扭矩突变会破坏多个行星轮之间的动载荷平衡，而柔性内齿圈可在一定程度上吸收部分因冲击载荷引起的构件振动，提高了均载性能。     

基于Copula函数的2.5MW风电齿轮箱齿轮可靠性分析

针对2.5 MW风电齿轮箱齿轮可靠性分析时,需考虑其接触疲劳和弯曲疲劳失效的相关性问题,根据风场长年监测数据,利用雨流计数法得到了其载荷谱,利用Romax Designer软件建立了2.5 MW风电齿轮箱的传动系统模型;利用其齿轮部件分析模块计算并统计得到了各齿轮的接触应力与弯曲应力分布;应用应力—强度干涉模型并基于Copula函数建立了考虑接触疲劳和弯曲疲劳相关性的齿轮疲劳可靠性计算模型;应用蒙特卡罗法对应力和疲劳强度抽样,并利用离差平方和最小值原理和MATLAB优化工具箱估计了Copula函数的参数,并计算出各齿轮的疲劳可靠度.研究结果为改进2.5 MW风电齿轮箱设计、提高其可靠性提供理论依据.     

曲线通过参数对高速列车牵引齿轮传动系统动力学响应影响研究

高速列车曲线通过时,车辆系统受力状态比直线行驶更为复杂,加上列车复杂车轨耦合系统,列车牵引齿轮传动系统动力学响应难以预测,所以探究曲线通过参数对高速列车牵引齿轮传动系统动力学响应的影响,对于判断牵引齿轮传动系统运行状态是必要的。通过有限元缩聚与轨道车辆动力学相结合方法,运用SIMPACK软件建立了高速列车刚柔耦合精细化动力学模型,考虑齿轮箱、齿轮副和轮对的柔性,研究不同曲线通过参数对齿轮箱动力学响应的变化规律。结果表明超高值和曲线半径对齿轮箱各轴承振动加速度影响规律不同,对齿轮副传动误差峰峰值及径向力幅值变化影响较大,对齿轮时变啮合刚度、接触应力、轴向力和圆周力幅值变化影响较小。     

转子-滑动轴承系统动力学相似性研究

针对转子-滑动轴承系统缩比模型与原型是否满足动力学相似的问题,采用量纲分析法建立了考虑陀螺力矩和滑动轴承非线性油膜力的转子-轴承系统相似准则,确立了模型与原型各物理量相似比。理论研究表明,通过采用模化转子滑动轴承静载荷补偿措施,可使转子-轴承系统满足动力学相似要求。补偿处理后的模型和原型转子系统的临界转速、失稳转速、不平衡响应均具有相似性。并通过算例对比分析转子几何比、材料密度模化比和弹性模量模化比对轴系不平衡响应特性相似性的影响规律,验证了所推导的转子动力学相似准则的正确性。     

风电机组齿轮箱传动系统建模与动力学特性仿真分析

针对目前风电机组常见的两级行星轮系加一级平行轴传动的齿轮箱结构,建立其传动系统虚拟样机模型。基于Hertz弹性接触理论建立仿真齿轮啮合刚度计算公式;借助ADAMS动力学分析软件,对轮齿动态啮合力进行仿真,研究轮齿啮合力在齿轮转动过程中的变化规律;将输出级小齿轮柔性化,建立传动系统的刚柔耦合模型,分析仿真过程中输出级小齿轮的应力变化。利用ADAMS对复杂齿轮箱传动系统进行动力学建模与仿真取得很好的效果,为传动系统的动态设计及优化提供依据。     

风电齿轮箱高速轴圆锥滚子轴承动态特性分析

齿轮箱是风电机组故障率最高的部件之一,其中高达50%的故障停机源于高速轴轴承的过早失效。外部变风载激励和齿轮箱内部激励下,高速轴轴承动载增大,将加速高速轴轴承破坏失效。论文以某750kW风电齿轮箱高速轴圆锥滚子轴承为分析对象,采用ADAMS软件建立圆锥滚子轴承的多体动力学仿真分析模型,研究轴向载荷和径向载荷变化对轴承动态响应特性的影响,基于美国Spectra Quest转子实验台开展了圆锥滚子轴承振动响应特性实验,掌握了圆锥滚子轴承的动态接触力与振动响应变化规律,将为风电齿轮箱高速轴圆锥滚子轴承选型与齿轮箱设计提供理论依据。     

考虑结构柔性的多级齿轮箱变速过程动态特性研究

为了满足齿轮箱在变速过程中的分析需求,在集中参数/有限元法基础上提出一种适合变速过程分析且考虑结构柔性的多级齿轮箱耦合动力学建模方法.为验证所提方法的有效性,以某型直升机主减速器为研究对象,构建其耦合动力学模型;模型中考虑了传动轴和箱体结构的柔性,并将齿轮时变啮合刚度和综合啮合误差表示为齿轮角位移的周期函数.研究了多级...     

风电齿轮箱高速轴圆锥滚子轴承动态特性分析

齿轮箱是风电机组故障率最高的部件之一,其中高达50%的故障停机源于高速轴轴承的过早失效。外部变风载激励和齿轮箱内部激励下,高速轴轴承动载增大,将加速高速轴轴承破坏失效。以某750 kW风电齿轮箱高速轴圆锥滚子轴承为分析对象,采用ADAMS软件建立圆锥滚子轴承的多体动力学仿真分析模型,研究轴向载荷和径向载荷变化对轴承动态响应特性的影响,基于美国Spectra Quest转子实验台开展圆锥滚子轴承振动响应特性实验,掌握了圆锥滚子轴承的动态接触力与振动响应变化规律,将为风电齿轮箱高速轴圆锥滚子轴承选型与齿轮箱设计提供理论依据。     

轮齿修形对兆瓦级风电齿轮箱NVH性能的影响

随着风电齿轮箱技术的快速发展,对动态性能要求越来越高,NVH分析技术对减小风电齿轮箱振动噪声有着重要意义。根据某兆瓦级风电齿轮箱传动原理和基本结构特点,考虑行星架、箱体等结构的柔性,通过结合部节点将结构系统与传动系统连接起来,建立风电齿轮箱系统耦合分析模型。基于载荷谱对各级齿轮副进行修形,对比分析修形前后风电齿轮箱的NVH性能,表明修形后齿轮箱的振动加速度幅值、噪声均有一定程度的减小,为风电齿轮箱的NVH优化提供了依据。     

风电装备整体式动力学建模与仿真分析

针对大型化、高可靠性、长寿命的高端风电装备发展趋势,研究风电装备动力学特性,基于风电装备能量流、物质流、信息流与各部件拓扑关系,确定风机整体式动力学建模流程;综合考虑叶轮捕获风能、风载及传动系统模型与电网反作用载荷模型,借助SIMULINK软件对风电装备整体动力学模型仿真分析。结果表明,风电装备转速、功率特性与风机额定工况运行参数基本相符,从而验证整体式动力学模型的可信度;风电装备扭矩从叶轮端传递到发电机端,扭矩波动幅值降低,且兆瓦级风机叶轮端扭矩量级为E6 Nm,发电机端扭矩量级为E4 Nm;可对增速箱输入、输出端扭矩曲线进行包络线拟合,为增速箱内部功率损耗分析提供宏观边界条件。     

内外激励下风电齿轮传动系统的非线性动力学特性

风电齿轮传动系统的动力学研究,对降低齿轮传动系统故障有重要意义。为进一步研究风电齿轮传动系统的非线性动力学特性,采用集中参数模型建立了该系统纯扭转非线性动力学模型。该模型考虑了各齿轮副间时变啮合刚度、综合啮合误差和齿侧间隙非线性因素,以1.5 MW风机额定功率作为传递功率,结合时间历程图、FFT频谱图、相图、Poincaré截面图、分岔图及最大Lyapunov指数图,研究了在激励频率变化下和综合啮合误差变化下系统的动力学特性。结果发现,随着激励频率的不断增大,系统会出现单周期运动、拟周期运动和混沌等动力学行为,且混沌区域会发生改变;随着综合啮合误差的增加,系统由拟周期运动演化为混沌,最终又突变为拟单周期运动,且通过改变综合啮合误差,观察激励频率变化下系统的影响,发现综合啮合误差的减小能够明显的弱化混沌运动。     

大型风机传动链柔性建模与共振甄别优化方法

为精确对大型风电机组进行共振分析及优化,通过研究不同缩聚点个数的柔性齿对系统模态的影响,指出了柔性轮齿缩聚的必要性和推荐数量,并建立了考虑主轴柔性和齿轮传动系统全柔性的传动链动力学模型。根据求解的风机传动系统固有频率,提出共振甄别五大筛选原则,识别出系统潜在共振点,通过扫频时/频域分析,甄别出系统危险共振点。根据共振频率振型特点对齿轮箱进行了模型优化,依据共振点数量和风电机组重量决定优化方案,研究方法和结果可以为大型风机多柔体动力学高精度建模和共振甄别优化设计提供参考。     

相位调谐对行星齿轮系统辐射噪声影响的研究

考虑齿轮啮合相位因素得到相位调谐前后各传动齿轮齿数配比,应用集中质量法建立行星齿轮传动系统的动力学模型,计算齿轮箱轴承支撑动载荷。建立单级行星齿轮传动系统齿轮箱的三维几何模型,将动载荷作为激励施加于齿轮箱轴承支撑处,通过有限元法计算得齿轮箱的模态频率和振动响应。在Virtual.lab中建立齿轮箱的边界元模型并导入齿轮箱振动位移响应作为边界条件,应用直接边界元法计算得到相位调谐前后齿轮箱辐射噪声。对比试验结果表明,相位调谐方法可有效地降低噪声,证明相位调谐方法降噪的可行性。     

国电与中兵集团合资建风电设备企业

国电集团旗下国电联合动力公司日前与中国兵器集团一机公司就包头风电增速箱项目签署合资协议。根据协议,协议双方将共同投资组建包头风电齿箱制造公司。该公司生产的风电机组用齿轮箱设备,引进德国Aerodyn公司技术,具有完全自主知识产权。一期项目建成后,将形成年产1.5MW齿轮箱300～400台的能力,     

兆瓦级风力发电机组传动系统动态特性研究

基于集中参数质量法建立风力发电机组四质量块柔性传动模型,在综合考虑外部风载、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齿轮箱内部各级齿轮副动力学方程。以1.5MW风力发电机组为计算对象,计算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统计分析,结果显示动态啮合力具有很强的时变特性,此研究方法为齿轮和轴承设计、寿命预估建模提供依据。并对传动系统稳定性进行分析,结果显示传动系统一阶扭振频率与风轮面内一阶摆振频率偏差为7.5%,通过降低主轴重量约8.5%,提高了传动系统一阶扭转频率值5%,提高后的频率值与风轮面内一阶摆阵频率偏差达11.9%,大于规范推荐值10%,为风力发电机组传动系统设计和可靠性研究提供参考。     

风电齿轮箱两级行星齿轮传动系统的非线性动力学特性

考虑风电齿轮箱两级行星轮系传动系统各齿轮副的时变啮合刚度、综合啮合误差和齿侧间隙等非线性因素的基础上,建立了广义坐标下增速齿轮箱两级行星齿轮传动系统的动力学模型,采用变步长Gill积分法对该模型进行求解;采用分岔图、相图、FFT频谱图、poincaré截面图及最大Lyapunov指数图分析了激励频率和啮合阻尼比对系统振动响应及分岔特性的影响。结果表明:系统在多种非线性因素的耦合作用下会表现出丰富的非线性动力学行为,随着激励频率的增大,系统在混沌运动、拟周期运动和倍周期运动之间切换和变化,且退出混沌的方式多为倒分岔;在保证系统传动效率的前提下适当提高系统的啮合阻尼比,能够明显弱化和抑制系统的混沌运动,减小其振动幅度,对提高系统的稳定性具有一定的作用。