基于零部件寿命相关的风电齿轮箱可靠性建模

【摘要】：随着能源短缺和环境污染问题的日趋严峻,风能作为一种清洁的可再生能源,已被世界各国高度重视。风力发电在世界范围内得到快速发展,风电齿轮箱作为风力发电机组主传动链中将风速转化为发电机所需转速的重要部件,是一种在随机动态载荷条件下服役的低速、重载、增速齿轮传动装置。目前,我国已安装的风力发电机组,特别是大型风电机组的故障率居高不下,其中齿轮箱故障就占了很大的比重。因此,加强对风电齿轮箱的可靠性研究,降低风电机组中齿轮箱的故障率,提高风电机组的性能和可靠性对推动我国风电产业的发展具有重要的意义。 本文基于1.5MW水平轴风电齿轮箱的实际设计参数和工况参数,建立了零部件寿命相关情况下的系统可靠性模型,对风电齿轮箱的系统动态可靠度进行了详细的分析与计算。主要的研究内容包括下述三个方面： (1)以齿轮箱的输出功率为切入点,计算出齿轮箱中各零部件传递的功率。从而求解出齿轮箱各失效零部件的疲劳载荷。 (2)基于随机载荷作用下的机械零部件动态可靠性模型,根据顺序统计理论和随机过程,利用可靠性系数法求解出风电齿轮箱失效零部件各工作时刻的可靠度,并拟合出各失效零部件可靠度随时间变化的动态曲线。 (3)根据各失效零部件的动态可靠度,求解出相应失效零部件的寿命分布函数值。将各零部件的寿命分布函数作为风电齿轮箱系统寿命联合分布函数的边缘分布,运用Copula函数的相关性理论,结合Sklar定理,建立零部件寿命相关时风电齿轮箱的系统可靠性Copula模型。进而基于齿轮箱的实际设计参数和工况数据,求解出零部件寿命相关时风电齿轮箱系统各工作时刻的可靠度,并拟合出系统可靠度随时间变化的动态变化曲线。分析出风电齿轮箱零部件寿命相关时系统可靠度随时间的变化规律。 上述工作充分考虑了齿轮箱载荷的随机性,基于各齿轮的动态可靠度,分析了齿轮箱系统可靠度随时间的变化规律,为齿轮箱的可靠性设计和制定合理的维修计划提供了更真实的理论依据。 【关键词】：风电齿轮箱 可靠度 寿命相关 Copula函数 Sklar定理
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB114.3;N945.12
【目录】：

• 目录5-7
• 摘要7-8
• ABSTRACT8-10
• 插图索引10-12
• 附表索引12-13
• 第1章 绪论13-18
• 1.1 课题研究的背景与意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-16
• 1.2.1 风电齿轮箱可靠性的研究现状14-15
• 1.2.2 Copula函数在可靠性中的应用15-16
• 1.3 研究思路及主要内容16-18
• 1.3.1 研究思路16-17
• 1.3.2 主要研究内容17-18
• 第2章 系统可靠性理论与Copula理论18-39
• 2.1 系统可靠性基本理论18-23
• 2.1.1 可靠性评定的主要指标18-19
• 2.1.2 零部件可靠度计算模型概述19-22
• 2.1.3 系统可靠性理论22-23
• 2.2 Copula函数的相关性理论23-38
• 2.2.1 Copula函数的定义和基本性质24-26
• 2.2.2 基于Copula函数的相关性系数26-30
• 2.2.3 常见的Copula函数30-38
• 2.3 本章小结38-39
• 第3章 基于Copula函数的系统可靠性建模39-54
• 3.1 串联系统39-42
• 3.1.1 二元串联系统39-40
• 3.1.2 多元串联系统40-42
• 3.2 并联系统42-44
• 3.2.1 二元并联系统42-43
• 3.2.2 多元并联系统43-44
• 3.3 串—并联系统44-47
• 3.3.1 三元串—并联系统44-45
• 3.3.2 多元串—并联系统45-47
• 3.4 并—串联系统47-49
• 3.4.1 三元并一串联系统47-48
• 3.4.2 多元并一串联系统48-49
• 3.5 表决系统49-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第4章 风电齿轮箱的零部件可靠性模型54-68
• 4.1 风电齿轮箱的故障模式影响分析54-57
• 4.2 齿轮疲劳强度的动态可靠性模型57-60
• 4.2.1 可靠性模型的建立方法57-58
• 4.2.2 动态可靠性模型的建立58-60
• 4.3 电齿轮箱设计参数的分析与计算60-61
• 4.4 齿轮的动态可靠度分析与计算61-67
• 4.4.1 齿轮的受力分析与计算61-63
• 4.4.2 齿轮齿根弯曲疲劳分析63-67
• 4.5 本章小结67-68
• 第5章 风电齿轮箱的系统可靠性分析68-78
• 5.1 风电齿轮箱的系统可靠性模型68-69
• 5.1.1 基于概率论的可靠性模型68-69
• 5.1.2 基于Copula函数的可靠性模型69
• 5.2 电齿轮箱的可靠度计算69-76
• 5.2.1 确定边缘分布70-73
• 5.2.2 选取适当的Copula函数73-75
• 5.2.3 Copula可靠性模型的参数估计75-76
• 5.3 结果分析与计算76-77
• 5.4 本章小结77-78
• 结论和展望78-80
• 本文的研究成果78
• 本文的创新点78-79
• 研究展望79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-85
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文85-86
• 附录B 论文中所用到的MATLAB程序86-95
• B.1 齿轮齿根弯曲疲劳强度可靠度计算程序86-92
• B.2 齿轮箱系统的可靠度计算程序92-95

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