1.5MW风电齿轮传动系统动力学分析

【摘要】：随着能源危机和环境问题日益严峻，风能作为一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，在未来的能源市场很有开发潜力，各国政府相继投入大量的人力及资金研究生产高效安全风力发电机。 研究风力发电机齿轮传动系统的动力学特性以减少风电齿轮箱齿轮传动系统的振动和冲击成为了整个风电行业的重要课题。本文在重庆大学机械传动国家重点实验室自主项目支持下，以某型1.5MW风电发电机增速箱齿轮传动系统为研究对象，对其动态特性进行了研究，并分析和提出了减少齿轮箱传动系统冲击和振动的方法，具有一定的学术意义和实用价值。主要工作如下： 首先，从理论上分析探讨了风电齿轮箱传动系统的主要内外激励类型，着重讲述了对齿轮箱振动影响极大的内部载荷斜齿时变啮合刚度进行了分析和求解以及外部激励时变风速进行了建模和求解。 其次，利用集中质量法建立某型1.5MW风力发电机齿轮传动系统的非线性弹性动力学模型。考虑行星架的扭转变形和每个斜齿轮的扭转变形、径向变形和轴向变形，对每个部件进行牛顿力学分析并建立同时考虑时变刚度、误差、轴承刚度和齿面摩擦的齿轮系统动力学模型。 然后采用四阶龙格-库塔数值积分法对齿轮系统动力学方程进行了求解，并对求解器和步长的选择进行了分析。 最后对各部件位移响应进行分析，结果显示，各部件响应的大小主要与转速和输入转矩有关。为清楚地了解各频率成分风电齿轮箱的振动规律，对时域速度响应做傅里叶变换，从频域的角度揭示了各部件频率成分对风电齿轮箱传动系统的影响规律。 【关键词】：风电齿轮箱 动力学分析 广义载荷 时变刚度
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 本文研究的背景9
• 1.2 国内外风力发电现状9-11
• 1.2.1 国外风力发电发展现状9-10
• 1.2.2 我国风力发电现状10-11
• 1.3 齿轮系统动力学研究现状11-13
• 1.3.1 风电增速齿轮箱结构11
• 1.3.2 国外齿轮动力学研究现状11-12
• 1.3.3 国内齿轮动力学研究现状12-13
• 1.4 论文的主要研究内容13-15
• 2 风力发电机齿轮传动系统动态激励15-28
• 2.1 引言15
• 2.2 内部激励15-21
• 2.2.1 时变刚度激励15-20
• 2.2.2 误差激励20-21
• 2.2.3 齿面摩擦21
• 2.3 外部载荷21-26
• 2.3.1 轴承刚度激励21
• 2.3.2 时变风速输入激励21-26
• 2.4 本章小结26-28
• 3 风力发电机齿轮传动系统动力学建模28-42
• 3.1 引言28
• 3.2 系统物理模型28-29
• 3.3 斜齿轮受力分析29-30
• 3.4 斜齿行星轮系30-35
• 3.4.1 行星传动系统广义坐标的选取30-31
• 3.4.2 行星传动系统坐标系和方向的定义31
• 3.4.3 行星架当量圆处理31-32
• 3.4.4 太阳轮受力分析32-33
• 3.4.5 行星轮受力分析33
• 3.4.6 行星架受力分析33-34
• 3.4.7 第一级行星齿轮系统动力学方程34-35
• 3.5 斜齿轮定轴轮系35-36
• 3.5.1 坐标系和方向的定义35
• 3.5.2 斜齿轮副物理模型35-36
• 3.5.3 高速端斜齿轮副动力学方程36
• 3.6 轮齿啮合力分析计算36-40
• 3.6.1 行星轮和太阳轮坐标系变换36-37
• 3.6.2 行星轮太阳轮间啮合力分析37-38
• 3.6.3 行星轮内齿圈间啮合力分析38-39
• 3.6.4 定轴斜齿轮副啮合力分析39-40
• 3.7 动力学方程中其他参数的确定40-41
• 3.7.1 质量和转动惯量40
• 3.7.2 传动轴的扭转刚度40-41
• 3.7.3 各组件的阻尼41
• 3.8 本章小结41-42
• 4 风力发电机增速箱齿轮传动系统动态特性分析42-58
• 4.1 引言42
• 4.2 数值解法42-46
• 4.2.1 四阶龙格-库塔法42-43
• 4.2.2 步长的选择设定43-44
• 4.2.3 MATLAB 实现44-46
• 4.3 风力发电机增速箱齿轮传动系统在时变激励下的动态响应46-57
• 4.3.1 输入转矩和输入转速的平滑处理46-47
• 4.3.2 第一级行星传动系统47-51
• 4.3.3 第二级行星传动系统51-54
• 4.3.4 高速端斜齿轮副54-57
• 4.4 本章小结57-58
• 5 总结与展望58-60
• 5.1 总结58
• 5.2 展望58-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-64
• 附录64
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录64
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录64

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