大功率风电增速器动态特性分析与优化设计

【摘要】：随着能源短缺问题日益严重,风能资源逐渐为人们所重视和利用,风力发电技术也得到快速的发展。齿轮传动系统作为风力发电机的关键部件,其运行的稳定性和可靠性直接影响着整个风力发电系统。考虑到风力发电机的变载荷工况和高空架设环境,研究齿轮传动系统在变载荷条件下的动力学特性并对其进行动态优化设计是风机设计中的重要任务。 本文以某3.OMW风电增速器齿轮传动系统作为研究对象,应用齿轮系统动力学、数值计算方法和优化技术,对齿轮传动系统的动态特性进行研究,并以此为基础进行系统动态优化设计,为设计出低振动、轻量化的齿轮传动系统提供了方法和理论基础。主要研究工作如下： (1)采用集中参数法建立齿轮传动系统的弯-扭-轴耦合动力学模型,模型中考虑时变啮合刚度、啮合误差、行星架柔性、轴承支撑刚度、阻尼等因素,通过分析各构件之间相对位移关系,导出振动微分方程,并对方程中的相关参数进行计算分析。 (2)研究传动系统的固有特性及其对参数的敏感度。总结分析各振型特点,得到系统的四种典型振动模式,即三级齿轮振动模式、单级行星轮系径向平移振动模式、行星轮振动模式和平行轴齿轮振动模式。进一步研究固有特性对系统刚度和质量参数的敏感度。 (3)研究传动系统在内、外部激励共同作用下的动态响应。时变外部激励根据ARMA模型模拟的随机风速确定,利用数值解法求解系统动力学微分方程,对比分析系统在额定转矩和时变转矩激励下的动态响应结果,包括振动位移响应、各齿轮副动态啮合力及其频域特性,并研究参数对系统动态响应的影响。 (4)对传动系统进行多目标动态优化设计。以系统体积最小和构件扭转加速度峰值最小为目标函数,以可靠性和强度要求作为约束条件,建立传动系统动态优化设计模型,利用MATLAB优化工具箱对其进行求解优化。从优化前后结果对比可知,优化后的设计参数实现减小系统振动和体积轻量化的目的。 【关键词】：风电增速器 齿轮传动 动态特性 优化设计
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM315;TH132.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-17
• 1.1 论文的研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 行星齿轮传动系统动力学研究现状11-13
• 1.2.2 风电增速器传动系统动力学研究现状13-14
• 1.2.3 齿轮传动系统优化设计研究现状14-15
• 1.3 本文的研究内容15-17
• 2 风电增速器齿轮传动系统动力学模型建立17-33
• 2.1 前言17
• 2.2 风电增速器齿轮传动系统动力学模型17-24
• 2.2.1 传动系统的等效力学模型18-19
• 2.2.2 各构件间的相对位移关系19-21
• 2.2.3 系统动力学微分方程21-24
• 2.3 模型中的参数确定24-32
• 2.3.1 时变啮合刚度激励24-28
• 2.3.2 啮合误差激励28-30
• 2.3.3 啮合阻尼30
• 2.3.4 行星架扭转刚度的计算30-32
• 2.3.5 其他参数的确定32
• 2.4 本章小结32-33
• 3 风电增速器齿轮传动系统固有特性研究33-62
• 3.1 前言33
• 3.2 固有特性研究33-43
• 3.2.1 固有特性计算原理33-34
• 3.2.2 传动系统的固有特性34-43
• 3.3 固有频率对系统参数敏感度研究43-60
• 3.3.1 敏感度的定义43-44
• 3.3.2 固有频率对刚度参数的敏感度研究44-58
• 3.3.3 固有频率对质量参数的敏感度研究58-60
• 3.4 本章小结60-62
• 4 风电增速器齿轮传动系统动态响应研究62-87
• 4.1 前言62
• 4.2 外部激励确定62-68
• 4.2.1 随机风速模型62-66
• 4.2.2 输入变载荷激励66-68
• 4.3 动力学方程求解68-69
• 4.4 内外激励下系统动态响应研究69-84
• 4.4.1 各构件的振动响应69-76
• 4.4.2 动态啮合力的时域和频域响应76-81
• 4.4.3 载荷系数确定81-84
• 4.5 参数对系统动态响应的影响84-86
• 4.5.1 输入转速对动态响应的影响84-85
• 4.5.2 转动惯量对动态响应的影响85-86
• 4.6 本章小结86-87
• 5 风电增速器齿轮传动系统动态优化设计87-101
• 5.1 前言87
• 5.2 多目标优化与动态优化设计87-89
• 5.2.1 多目标优化87-88
• 5.2.2 动态优化设计88-89
• 5.3 传动系统多目标动态优化设计模型89-94
• 5.3.1 设计变量选取89
• 5.3.2 目标函数建立89-90
• 5.3.3 约束条件确定90-94
• 5.4 优化设计结果与分析94-100
• 5.4.1 优化方法94
• 5.4.2 优化结果与分析94-100
• 5.5 本章小结100-101
• 结论101-103
• 参考文献103-107
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况107-108
• 致谢108-109

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