兆瓦级风力发电机齿轮传动系统耦合振动分析及优化设计

论文摘要

随着全球可再生能源市场的迅速发展,风力发电逐渐成为能源工业新的增长点。风力发电机中的增速齿轮箱是一个重要的机械部件。风力发电机组的大型化方向发展对增速箱运行的稳定性和高效性提出了很高的要求。由于风速变化的随机性,增速箱传动系统在运行中长期受复杂的交变载荷作用而产生振动。这些振动会引起系统内部结构的疲劳,降低设备的可靠性和增加机组维护工作量。为了降低由于振动导致的齿轮箱故障,提高机组工作的可靠性,提高我国风电机组零部件国产化水平,需要加强对风电增速箱的动态设计方法的研究。本文通过对1.5MW风力发电机齿轮箱传动系统进行耦合振动分析,考虑风载变化和轮齿时变啮合刚度等因素,建立了传动系统动力学分析模型。在此基础上,求出了系统时域数值响应和解析解,依据解析解推导了系统动力学优化设计的目标函数,以传动系统振动小和质量轻为目标建立了系统优化设计数学模型,得到了较为理想的齿轮系统参数。本文主要做了以下几方面的工作:①采用集中参数法建立了传动系统的动力学模型,模型中考虑了轮齿时变啮合刚度、啮合阻尼和风载荷等因素,依此模型应用拉格朗日方程推导出了齿轮系统的扭转振动微分方程。②分析比较系统各种求解方法。采用四阶Runge-Kutta法求出了系统优化设计前后的时域数值响应,依此来评价优化设计结果;利用谐波平衡法求解了系统的解析解,为传动系统动力学优化设计奠定了基础;③对优化设计建模理论进行分析,以齿数、模数、传动比等为设计变量,以行星轮振动加速度幅值最小和传动系统各齿轮总质量最小为目标,建立了增速箱传动系统动力学优化设计模型。④运用MATLAB优化工具箱编程完成优化设计。与优化前相比较,优化后的传动系统重量减轻、低阶固有频率明显提高、动态特性明显改善。上述研究可为设计质量轻、成本低、振动小、噪声低的风力发电机齿轮箱提供参考。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景及意义
• 1.2 风力发电发展概况
• 1.2.1 世界风力发电发展概况
• 1.2.2 我国风力发电发展概况
• 1.3 风力发电机齿轮箱概述
• 1.3.1 风力发电机齿轮箱运行工况
• 1.3.2 风力发电机齿轮箱类型与设计要求
• 1.3.3 风力发电机齿轮箱常见故障及国内外研究现状
• 1.4 齿轮系统动力学分析研究的现状与展望
• 1.4.1 齿轮系统动力学分析研究现状
• 1.4.2 齿轮系统动力学方程的求解方法研究现状
• 1.4.3 齿轮系统动力学设计研究的发展方向及关键技术
• 1.5 论文的主要内容
• 2 风力机增速箱传动系统振动分析模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 系统动力学模型
• 2.3 系统振动微分方程
• 2.4 系统刚度分析
• 2.4.1 齿轮副啮合刚度
• 2.4.2 行星架扭转刚度
• 2.4.3 太阳轮轴扭转刚度
• 2.5 系统阻尼分析
• 2.5.1 齿轮副啮合阻尼
• 2.5.2 太阳轮轴扭转阻尼
• 2.6 外部激励分析
• 2.7 振动方程的标准形式
• 2.8 本章小结
• 3 系统求解分析
• 3.1 引言
• 3.2 系统固有频率计算
• 3.3 数值法求解
• 3.4 解析法求解
• 3.5 本章小结
• 4 系统优化设计数学模型的建立
• 4.1 引言
• 4.2 优化设计概述
• 4.2.1 优化设计的基本概念
• 4.2.2 优化设计的数学模型及算法
• 4.3 机械系统动态优化设计
• 4.3.1 机械系统动态优化设计概况
• 4.3.2 齿轮传动系统动力学优化设计建模分析
• 4.4 风力发电机齿轮传动系统优化设计建模
• 4.4.1 设计变量选取
• 4.4.2 目标函数建立
• 4.4.3 约束条件确定
• 4.5 本章小结
• 5 优化设计数学模型求解与结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 MATLAB 优化工具箱介绍
• 5.3 优化设计模型编程求解
• 5.4 优化设计结果分析比较
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：
• A.作者在攻读博士学位期间发表的论文
• B.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目
• C.系统优化设计目标函数文件和约束函数文件