柔性销轴式风电齿轮箱动力学研究

【摘要】：课题来源于国家“十一五”科技支撑计划资助项目“高速、重载、精密机械传动系统关键技术研究”(2006BAF01B07-02)及国家“十二五”科技支撑计划课题“7MW级风电齿轮箱及主轴轴承产业化关键技术研究（2012BAA01B05）”。 随着风力发电设备向单级大功率方向发展，更大功率风电齿轮箱的需求变的越来越迫切。刚性设计类型的齿轮箱不利于行星轮均载，对设计、制造及安装要求高，因此在齿轮箱系统中增加柔性是一种重要的的选择。在传统的风电齿轮箱设计中仅浮动太阳轮或行星架难以满足大功率齿轮箱发展需求，而行星轮悬臂式柔性销轴均载技术可以有效解决这个问题。同时，为获得更大齿轮箱功率密度而增加行星轮个数时，往往受限于行星架跨坐支撑的位置约束，而悬臂式行星轮销轴结构可减少跨坐式行星架的结构需要，更有利于增加行星轮个数和方便调整相位角。虽然行星轮悬臂式柔性销轴的这些优点使其具有较高的应用价值，但由于缺乏柔性销轴类型行星传动系统动力学研究，为此类复杂齿轮箱设计造成一定困难。论文结合太阳轮浮动和销轴柔性的准“双浮动”风电齿轮箱的结构特点，利用动力学研究方法，对柔性销轴式风电齿轮箱的均载、耦合特性、动态响应等展开研究，对于柔性销轴式风电齿轮箱设计具有重要意义。 论文的主要内容如下： ①建立多浮动构件的风电齿轮箱行星级齿轮传动系统动力学模型，对行星轮动态均载进行研究。基于能量法得到销轴刚度与轮齿刚度计算公式，推导柔性销轴误差情况下的啮合刚度与啮合相位的时变函数。 ②研究销轴误差与齿轮误差对动态均载影响。根据销轴位置误差与齿轮偏心误差的激励特征，综合考虑销轴刚度、外部载荷以及多销轴误差布置等影响因素，分析两类误差对行星齿轮动态载荷变化规律。 ③基于边界协调条件建立柔性销轴式风电齿轮箱传动系统耦合动力学模型，对系统存在的模态类别、模态应变能及动态响应进行研究，归纳总结出传动系统中存在的五类模态特征，研究单级模态与耦合模态的异同、销轴刚度对模态频率的影响；研究模态应变能的分布规律及动态响应特征；研究设计参数对动态响应的影响。 ④基于传动系统与箱体结构系统耦合边界条件，建立包含箱体支撑刚度、轮齿啮合接触损失、轴承间隙的风电齿轮箱系统非线性动力学模型，对其固有特性、动态响应、非线性规律展开研究，结合有限单元法得到齿轮箱体表面的振动特征。 ⑤在搭建的风电齿轮箱传动试验台上对柔性销轴式风电齿轮箱动态均载进行试验，研究不同载荷作用下行星级齿轮的动态载荷分布规律；对不同载荷下的齿轮箱振动特性进行测试，得到齿轮箱振动响应特征。验证理论分析结果的正确性。 【关键词】：风电齿轮箱 行星传动 柔性销轴 耦合 非线性动力学
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH132.41
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-23
• 1.1 课题来源及研究意义9-10
• 1.2 课题国内外研究现状10-20
• 1.2.1 风电齿轮箱柔性销轴技术发展趋势10-12
• 1.2.2 国内外齿轮动力学研究现状12-20
• 1.3 论文主要研究内容20-23
• 2 柔性销轴式风电齿轮箱行星级传动系统动态特性研究23-49
• 2.1 引言23
• 2.2 柔性销轴式风电齿轮箱基本结构及传动原理23-25
• 2.3 柔性销轴式风电齿轮箱行星级传动系统动力学模型25-30
• 2.4 柔性销轴误差对均载影响30-45
• 2.4.1 销轴误差对啮合刚度与啮合相位影响30-38
• 2.4.2 销轴误差对均载影响38-45
• 2.5 齿轮误差对均载影响45-47
• 2.6 本章小结47-49
• 3 柔性销轴式风电齿轮箱传动系统动态特性研究49-69
• 3.1 引言49
• 3.2 柔性销轴式风电齿轮箱传动系统耦合动力学模型49-54
• 3.3 柔性销轴式风电齿轮箱传动系统固有特性分析54-60
• 3.4 柔性销轴式风电齿轮箱传动系统动态特性分析60-64
• 3.4.1 传动系统模态应变能分布规律60-63
• 3.4.2 传动系统动态响应分析63-64
• 3.5 设计参数对传动系统动态响应影响64-67
• 3.6 本章小结67-69
• 4 柔性销轴式风电齿轮箱系统动态特性研究69-89
• 4.1 引言69
• 4.2 柔性销轴式风电齿轮箱耦合动力学模型69-79
• 4.2.1 传动系统与箱体结构系统耦合方法69-76
• 4.2.2 柔性销轴式风电齿轮箱系统耦合动力学模型76-79
• 4.3 耦合动力学模型的数值求解方法79-81
• 4.4 柔性销轴式风电齿轮箱系统动态特性分析81-88
• 4.4.1 箱体响应分析81-85
• 4.4.2 传动系统响应分析85-88
• 4.5 本章小结88-89
• 5 柔性销轴式风电齿轮箱动态特性试验研究89-101
• 5.1 引言89
• 5.2 柔性销轴式风电齿轮箱动态均载试验研究89-93
• 5.3 柔性销轴式风电齿轮箱动态特性试验研究93-99
• 5.4 本章小结99-101
• 6 结论与展望101-105
• 6.1 主要结论101-102
• 6.2 论文创新点102
• 6.3 后续研究工作展望102-105
• 致谢105-107
• 参考文献107-119
• 附录119-120
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录119-120
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录120
• C. 作者在攻读学位期间完成的科研项目目录120

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