风力发电增速装置的研究

论文摘要

风力发电是应用前景十分广阔的一种洁净可再生能源,增速箱是目前大型风力发电机的关键部件,对它的工作寿命和可靠性有比一般机械高得多的要求。本文从强度和动力学两个角度出发对大型风电增速箱的齿轮传动系统进行了研究。首先,按照现行的齿轮强度计算方法,全面地分析了齿间摩擦力对齿根弯曲疲劳应力和齿面接触疲劳应力的影响,得出了以下结论:①齿间摩擦力对齿根弯曲应力的影响在减速和增速传动中是不一样的。在减速传动设计中齿间摩擦力的影响较小,设计计算时将其忽略是完全可行的;而在增速传动中,齿问摩擦力会使主动大齿轮的齿根应力增加1%～10%,当齿间摩擦系数大于0.08时增加5%以上,因此,对主动大齿轮的齿根弯曲疲劳强度的精确计算校核有必要考虑齿间摩擦力的影响。②齿间摩擦力对齿面接触应力的影响在减速和增速传动中是一样的,都使齿面接触应力增加(无论是小齿轮还是大齿轮)。当齿间摩擦系数大于0.09时增加5%以上,因此,对齿面接触疲劳强度的精确计算校核也有必要考虑齿间摩擦力的影响。其次,根据上面的结论提出了考虑齿间摩擦力的行星齿轮传动设计校核计算公式。对1500kW风力发电增速箱选取了一级行星齿轮加两级平行轴圆柱齿轮的传动形式,并按照本文提出的齿轮强度计算公式对其主要传动部件进行了设计和强度校核。最后,按照集中参数法建立了上述齿轮传动系统的等效动力学模型,并运用影响系数法推导出了系统的运动微分方程组,求出了行星轮系和整个传动系统的固有频率和主振型,归纳出了行星轮系具有扭转振动和行星轮振动两种振动模式,分析了整个传动系统中各构件转动惯量对系统固有频率的影响,进而运用SIMULINK仿真求解了系统在刚度激励和齿轮误差激励下的动态响应,得出了各构件的振动状况,为进一步的减振降噪设计和实际工况下的动载系数选取打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 风力发电国内外现状及发展趋势
• 1.3 国内外风电增速箱的设计制造现状
• 1.4 课题研究的主要内容
• 2 考虑齿间摩擦力的齿轮强度分析
• 2.1 考虑齿间摩擦力的渐开线平行轴圆柱齿轮强度分析
• 2.1.1 考虑齿间摩擦力的齿根弯曲疲劳应力分析
• 2.1.2 考虑齿间摩擦力的齿面接触疲劳应力分析
• 2.2 考虑齿间摩擦力的行星齿轮传动强度计算
• 2.3 本章小结
• 3 风力发电增速轮系的结构设计
• 3.1 传动方案的确定
• 3.1.1 常用的传动形式及其特点
• 3.1.2 增速箱的传动方案的确定
• 3.3 传动系统的结构设计
• 3.3.1 行星齿轮传动的确定
• 3.3.2 两级圆柱齿轮和传动部件的确定
• 3.4 本章小结
• 4 风力发电增速轮系的动力学建模
• 4.1 行星轮系部分动力学模型的建立
• 4.1.1 动力学模型
• 4.1.2 运动微分方程的建立
• 4.2 两级平行轴齿轮部分动力学模型的建立
• 4.3 行星轮系和两级平行轴齿轮连接处动力学模型的建立
• 4.4 整体增速轮系的动力学模型的建立
• 4.4 本章小结
• 5 风力发电增速轮系的固有特性分析
• 5.1 行星轮系的固有特性分析
• 5.2 整体传动轮系的固有特性分析
• 5.2.1 等效啮合刚度下的模态和固有频率
• 5.2.2 转动惯量对固有频率的影响
• 5.3 本章小结
• 6 风力发电增速轮系在内部激励下的响应分析
• 6.1 激励的确定
• 6.1.1 时变啮合刚度
• 6.1.2 齿轮误差
• 6.2 响应求解
• 6.2.1 SIMULINK仿真分析模型的建立
• 6.2.2 响应求解
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 系统运动微分方程的系数矩阵
• 研究生期间公开发表的论文