风电齿轮箱热—结构耦合及疲劳损伤研究

【摘要】：相比于传统化石能源，风能是一种清洁、可再生的新能源，其中风力发电机是风能利用的主要方式之一。自1981年丹麦建成第一座风电站以来，风电技术不断发展，使用成本不断下降，在考虑环境成本的情况下风电已经可以媲美煤电。我国的风电发展前景较好，自上世纪90年代以来，在国家一系列新能源政策的激励下，2013年我国新增装机容量与累积装机容量均居世界第一。 风力发电机主要有水平轴与垂直轴的两种主要传动方式，因水平轴多级传动结构具有风能转换效率较高、轴距较短的优势，为当今国际上各大兆瓦级风机厂家采用。一般风机叶片受风力推动低速转动（约13rpm），而在发电机部分需要主轴高速旋转（约1200rpm），整个传动系统的总速比约100倍，这使得齿轮箱系统结构异常复杂，故障较多，可靠性和寿命较低，不能满足工程对风电齿轮箱的寿命与可靠性要求，如国际上多数品牌风机的齿轮箱发生故障率约为9.8%，但是齿轮箱故障造成的停机时间却占约为19.4%，表明齿轮箱故障修复困难，造成停机损失较大。常见的风电齿轮箱故障分析主要针对于传动系的结构力学分析，但实际上，由于兆瓦级风电齿轮箱属于重载传动，其轮齿在表面啮合过程中因摩擦而存在发热较大的现象，导致齿面的温度升高及相应的热应力。尽管齿轮箱都有润滑和温控系统，但齿轮啮合而产生的大量热量并不能完全、及时排除，热应力也必然叠加在系统原有的结构应力上，齿轮热-结构应力的耦合使齿轮受力的形式更为复杂，并会进一步降低齿轮的可靠性和疲劳寿命。因此，如何综合各种因素，研究风电齿轮箱的可靠性与寿命问题，对风电机组、风电整机企业、齿轮箱制造企业等都具有重要意义。 本文针对风电齿轮箱啮合过程的热-结构耦合工况进行分析，以某齿轮箱公司现有的2.5MW齿轮箱为研究对象，利用PROE软件建立了齿轮箱的数值模型，对太阳轮、行星轮齿顶进行修形，并将其装配；利用PROE与有限元软件的对接接口导入到有限元软件并将模型微调，划分网格，设置接触施加载荷后再设置求解器，进行ANSYS动力学分析和热-结构耦合动力学分析；将得出的齿面动态接触应力值用于齿轮箱传动齿轮疲劳损伤研究。本文分析结果表明：在正常载荷状况下，纯动力学应力结果较热-结构耦合分析应力平均小65.4MPa，从而使得不考虑热-结构耦合效应的疲劳寿命大于实际寿命，造成故障的多发；本文以热-结构耦合应力分析结果为依据计算疲劳损伤度，对象齿轮箱可靠度为0.999时齿轮箱行星轮系损伤度小于1，满足设计要求。 【关键词】：风电齿轮箱 热-结构耦合 动力学 疲劳损伤
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH132.41;TM315
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 研究意义及目的11-13
• 1.2 风电齿轮箱研究现状13-15
• 1.2.1 风电齿轮箱国内外研究现状13-14
• 1.2.2 齿轮热-结构耦合研究现状14-15
• 1.3 主要研究对象介绍以及研究内容15-17
• 1.3.1 目标介绍15-17
• 1.3.2 研究内容17
• 1.4 本章小结17-18
• 第二章 齿轮传动基础理论18-28
• 2.1 齿轮接触理论18-19
• 2.2 摩擦相关理论19-22
• 2.2.1 滑动摩擦19-20
• 2.2.2 滚动摩擦20-22
• 2.3 热传导理论22-25
• 2.3.1 热传递基本方式23-24
• 2.3.2 热分析边界条件24-25
• 2.3.3 初始温度25
• 2.4 有限元耦合分析25-26
• 2.5 疲劳寿命相关理论26-27
• 2.6 本章小结27-28
• 第三章 齿轮模型与载荷28-39
• 3.1 几何模型28-31
• 3.1.1 第一级行星轮系模型28-29
• 3.1.2 第二级行星轮系模型29-31
• 3.1.3 第三级斜齿轮模型31
• 3.2 材料的物理性质31-32
• 3.3 模型简单处理32
• 3.4 有限元模型32-35
• 3.4.1 第一级模型32-34
• 3.4.2 第二级模型34-35
• 3.5 边界条件简介35
• 3.6 模型边界条件35-38
• 3.7 温度载荷38
• 3.8 本章小结38-39
• 第四章 齿轮温度-应力分析39-49
• 4.1 有限单元法简介39-40
• 4.2 有限元分析步骤40
• 4.3 求解设置40-41
• 4.4 动力学分析41-44
• 4.5 齿面温升分析44-47
• 4.6 综合结果分析47-48
• 4.7 本章小结48-49
• 第五章 疲劳损伤分析49-58
• 5.1 疲劳分析基本方法49
• 5.2 疲劳累积损伤理论49-50
• 5.3 常见疲劳分析类别50-51
• 5.4 行星轮系寿命分析51-57
• 5.4.1 材料力学性能51-52
• 5.4.2 齿面应力分析52-54
• 5.4.3 疲劳损伤分析54-57
• 5.5 本章小结57-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 全文总结58
• 6.2 展望58-60
• 参考文献60-63
• 致谢63-64
• 附录64

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