基于模态综合法2MW风电增速箱柔体动力学分析及优化设计

【摘要】：近年来风力发电得益于人们对环境问题的重视,传动技术的进步和发电效率的提高,已再次进入高速发展的快车道。风机中的增速齿轮箱(下文简称增速箱)是整个风电系统的核心设备,因为其常年工作在严寒酷暑、载荷多变、多复杂工况的恶劣环境,所以其各方面性能好坏直接决定了整机的整体性能。而发生共振又是导致系统故障的主要因素,所以有必要对其进行较准确的动力学分析,预判共振点,进而有针对性地进行优化,保障风力发电机增速箱的平稳运行。本课题来源于株洲高精传动技术有限公司2MW风电齿轮箱研发项目。为采用柔性体建模和求解,引述了动态子结构法中的模态综合法,采用该方法对传动系统进行柔性化处理。将传动系统按部件划分为若干子结构,运用有限元软件ABAQUS计算各子结构自由模态,并在多体动力学软件SIMPACK中进行模态综合,计算系统固有频率。运用甄别共振点的四条原则,排查出系统潜在共振点。采取系统固有频率与激励产生的扰频相互错开的措施,对其进行优化。通过试验验证了本文计算方法与系统优化方法可行。本文主要研究内容与成果如下:(1)在动力学问题中,滚动轴承的刚度计算是否准确直接关系到系统动态响应解的真实性。本课题从滚动轴承静力学和运动学分析方法着手,综合考虑各滚动体所受载荷和实际接触角均不相同等因素,采用变形协调原理和Hertz弹性接触理论,推导其基于时变载荷的5乘5刚度矩阵。(2)本课题选用基于模态综合法理论的动力学系统建模方式,旨在计算出更接近真实的系统频率特性。结合ABAQUS和SIMPACK联合仿真计算,求解得整个风电增速齿轮箱的固有频率。再根据频率原则、阻尼原则、能量原则和同一速度级能量原则,结合系统Campbell图,排查其潜在共振点。(3)通过优化结构以调整系统固有频率。通过改变与共振点频率相对应的传动轴齿轮副的大齿轮齿数以调整激扰频率。以系统固有频率和激扰频率错开的方式,作为移除共振点方法,使系统不在共振点工作。(4)参照行业内振动测试国际标准,确定试验方案。通过采用专业测试设备,采集振动数据,分析系统响应情况。在预测出系统共振点之后,采用本课题提出的优化方法对系统进行优化,通过振动测试发现潜在共振点已经移除。 【关键词】：模态综合法 子结构模态综合 柔体 滚动轴承刚度 共振点 振动测试
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 模态综合法研究现状11-13
• 1.3 齿轮箱动力学优化研究现状13-14
• 1.4 研究内容14-15
• 1.5 本章小结15-16
• 第2章 多柔体系统动力学理论基础16-36
• 2.1 引言16
• 2.2 模态综合法介绍16-17
• 2.3 各类子结构模态集17-19
• 2.3.1 主模态17
• 2.3.2 约束模态17-18
• 2.3.3 刚体模态18
• 2.3.4 附着模态18-19
• 2.4 子结构模态综合19-26
• 2.4.1 固定界面模态综合法19-24
• 2.4.2 自由界面模态综合法24-26
• 2.5 系统中的滚动轴承刚度26-34
• 2.5.1 安全接触角26-28
• 2.5.2 轴承受载前后几何变形28-31
• 2.5.3 轴承受力平衡方程31-33
• 2.5.4 轴承刚度计算33-34
• 2.6 系统连接部件阻尼34
• 2.7 相关软件介绍34-35
• 2.7.1 ABAQUS简介34
• 2.7.2 SIMPACK简介34-35
• 2.8 本章小结35-36
• 第3章 系统子结构模态分析与模态综合计算36-48
• 3.1 引言36
• 3.2 子结构模态分析36-41
• 3.2.1 箱体模态38
• 3.2.2 行星架模态38-39
• 3.2.3 轴模态39-41
• 3.3 子结构模态综合41-42
• 3.4 识别系统潜在共振点42-47
• 3.4.1 频率原则42-43
• 3.4.2 阻尼原则43-44
• 3.4.3 能量筛选44
• 3.4.4 系统Campbell图与分析44-46
• 3.4.5 同一速度级能量原则46-47
• 3.5 共振点描述47
• 3.6 本章小结47-48
• 第4章 系统动态特性优化48-53
• 4.1 引言48
• 4.2 激扰频率调整48-49
• 4.3 系统固有特性调整49-52
• 4.3.1 调整轴承跨距49-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 试验验证53-67
• 5.1 引言53
• 5.2 试验台架简介53-54
• 5.3 振动测试系统54-55
• 5.3.1 数据采集仪54-55
• 5.3.2 传感器类型55
• 5.4 振动测试方案55-58
• 5.4.1 测点选取55-58
• 5.4.2 试验步骤58
• 5.5 齿轮箱振动测试及结果分析58-65
• 5.5.1 时域频域测试数据58-64
• 5.5.2 数据分析64-65
• 5.6 试验结论65-66
• 5.7 本章小结66-67
• 第6章 结论与展望67-68
• 6.1 结论67
• 6.2 展望67-68
• 参考文献68-71
• 致谢71-72
• 附录A攻读硕士学位期间发表的学术论文72

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