风电机组主轴轴承的动态响应计算方法研究

【摘要】：风电机组是风电产业的重要组成部分,主轴轴承是风电机组中吸收叶轮气动载荷和传递功率的关键部件。目前有关主轴轴承动态响应的研究相对较少,难以准确了解其内部零部件的动态性能,而主轴轴承动态响应性能直接决定传动链的维护成本和风电机组的传递效率,因此有必要对主轴轴承的动态响应性能进行研究。本文以1.5MW风电机组主轴轴承为研究对象,围绕着在不同工况下和故障状态下主轴轴承的动态响应性能仿真问题开展了研究工作,具体内容和取得的研究结论包括:(1)建立了主轴轴承多刚体动力学模型。以多体动力学为基础,通过添加约束、载荷、驱动等建立了主轴轴承多刚体动力学模型。设置主轴轴承内圈转速为10r/s,将保持架转速和滚子自转转速在ADAMS中的仿真值与利用滚动轴承运动参数计算公式得出的理论值进行对比,证明了所建立的主轴轴承多刚体动力学模型的正确性。(2)对不同工况下主轴轴承动态响应进行研究。利用STEP函数模拟主轴轴承三种代表性工况,即风电机组启动至平稳运行阶段、转速突变阶段和紧急刹车阶段。并对三种工况下主轴轴承的动态响应进行研究。结果表明:紧急刹车阶段滚子与内外圈的最大接触力和平均接触力均最大;紧急刹车阶段滚子与保持架的最大接触力最大,转速突变阶段滚子与保持架的平均接触力最大;紧急刹车阶段主轴轴承转动中心处的运动范围最大,引起的主轴轴承振动和噪声最大。(3)风电机组额定风速下,正常主轴轴承与点蚀故障和杂质故障的动态响应之间的差异分析。通过在主轴轴承外圈上模拟点蚀和杂质故障,在ADAMS中建立了点蚀故障和杂质故障主轴轴承动力学模型。通过仿真计算,对比分析了风电机组额定风速下,正常主轴轴承和故障主轴轴承的动态响应。对比结果表明:点蚀和杂质故障主轴轴承均会造成各零部件的加速度明显增加,且点蚀故障对滚子加速度的影响较大,杂质故障对内圈和保持架的冲击作用更为明显。本文所做的研究工作,为主轴轴承的设计及参数优化提供了一定的参考依据,对工程应用有指导意义。 【关键词】：主轴轴承 动力学模型 故障 动态响应
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315;TH133.3
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-18
• 1.1 课题背景和意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-16
• 1.2.1 风电机组主轴轴承研究现状14-15
• 1.2.2 滚动轴承动态性能的仿真研究现状15-16
• 1.3 本论文的研究内容16-18
• 第2章 与主轴轴承动态响应计算相关的基础理论简介18-28
• 2.1 引言18
• 2.2 风电机组叶片的基本理论18-22
• 2.2.1 动量理论与贝茨极限18-21
• 2.2.2 叶素理论21-22
• 2.3 风电机组主轴轴承配置方案22-23
• 2.4 风电机组主轴轴承受力分析23-25
• 2.4.1 主轴轴承轴向载荷Fa的计算23
• 2.4.2 主轴轴承径向载荷Fr的计算23-25
• 2.5 主轴轴承三维建模25
• 2.6 滚动轴承的动力学参数计算理论25-26
• 2.7 讨论与分析26
• 2.8 本章小结26-28
• 第3章 在ADAMS平台上的主轴轴承多刚体动力学模型的建立28-39
• 3.1 引言28
• 3.2 ADAMS多体动力学分析28-33
• 3.2.1 ADAMS动力学建模方法28-30
• 3.2.2 ADAMS方程求解的一般方法30
• 3.2.3 ADAMS中的碰撞模型30-31
• 3.2.4 接触碰撞模型的参数设置31-32
• 3.2.5 ADAMS中摩擦力的计算32-33
• 3.3 主轴轴承刚体动力学模型的建立33-37
• 3.3.1 主轴轴承刚体样机模型的建立33
• 3.3.2 运动约束的施加33
• 3.3.3 法向接触力的定义33-36
• 3.3.4 主轴轴承动力学仿真模型的验证36-37
• 3.4 仿真条件的确定37
• 3.5 本章小结37-39
• 第4章 三种工况下主轴轴承动态响应的分析39-49
• 4.1 引言39
• 4.2 三种工况下主轴轴承动态响应分析39-47
• 4.2.1 工况条件模拟39-41
• 4.2.2 三种工况下主轴轴承动力学仿真结果分析41-47
• 4.3 本章小结47-49
• 第5章 额定风速下正常主轴轴承与故障主轴轴承动态响应分析49-55
• 5.1 主轴轴承的故障分类和原因49-50
• 5.2 主轴轴承故障类型及工况的确定50
• 5.3 额定风速下正常主轴轴承与故障主轴轴承的动态响应分析50-54
• 5.4 本章小结54-55
• 总结与展望55-57
• 总结55-56
• 展望56-57
• 参考文献57-61
• 致谢61-62
• 附录A 攻读学位期间发表的科研成果目录62-63
• 附录B 参加科研项目情况63

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