2.5MW风电齿轮箱可靠性分析

【摘要】：目前,在各种新能源中,风电是经济上最可行、技术上最成熟的可再生清洁能源。我国经济正处于高速发展阶段,能源与环境的压力日益增大,开发新能源、研究使用新能源技术刻不容缓。风电机组可以将风能转换为电能,其主要由叶片、齿轮箱、发电机和偏航装置等组成,其中齿轮箱是风电机组的关键部件,主要实现提速功能。由于风电机组安装在海上、高山等偏远地区,维修不便且所需成本高昂,因此一般要求使用寿命20年。同时随机风载变化大,造成齿轮箱故障频发,严重影响了风电机组的稳定可靠运行。本文以2.5MW风电齿轮箱为研究对象,进行失效模式及影响分析(FMEA),确定其主要失效模式及原因;通过风场实测载荷得到LDD载荷谱,利用Romax Designer软件建模并得到齿轮应力分布,并研究考虑相关性时齿轮的可靠性。具体研究工作如下:首先,阐述了论文的研究背景及意义;综述了国内外风力发电和风电齿轮箱的发展现状;分析总结了齿轮传动系统动力学和可靠性研究现状;并在此基础上提出了本文研究内容。其次,分析了某齿轮箱厂生产的2.5MW风电齿轮箱的结构、工作原理和工作环境条件;根据试验和现场失效情况对该齿轮箱进行了失效模式及影响分析(FMEA),明确了齿轮点蚀、胶合、磨损、断齿是齿轮箱的主要失效模式,随机风载是引起齿轮箱失效的主要原因。第三,针对风场长年监测数据,利用雨流计数法得到了其LDD载荷谱;简述了Romax Designer软件的功能、特点和优势,利用其建立了2.5MW风电齿轮箱的刚柔耦合模型,应用上述载荷谱计算了齿轮箱各齿轮的接触应力、弯曲应力,并统计得到了各接触应力与弯曲应力的分布,为后续疲劳可靠度计算奠定了基础。第四,简述了Copula函数的特点及常用Copula函数;应用应力-强度干涉模型和S-N曲线,基于Copula函数建立了考虑接触疲劳和弯曲疲劳相关性的齿轮疲劳可靠性计算模型;利用离差平方和最小值原理和matlab优化工具箱估计了Copula函数的参数,并计算得到了各齿轮疲劳可靠度。最后,对全文的研究内容进行了总结,并指出了风电齿轮箱可靠性需要进一步研究的内容。 【关键词】：风电齿轮箱 疲劳可靠性 载荷谱 Copula函数
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 研究的背景和意义9
• 1.2 风力发电机发展现状9-13
• 1.3 齿轮传动动力学研究现状13-14
• 1.4 齿轮传动可靠性研究现状14-16
• 1.5 本文研究内容16-18
• 第二章 2.5MW风电齿轮箱故障模式及机理18-27
• 2.1 引言18
• 2.2 2.5MW风电齿轮箱的结构和设计参数18-20
• 2.3 风电齿轮箱工作条件20-21
• 2.4 风电齿轮箱失效模式和影响分析21-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 风电齿轮箱传动系统建模27-44
• 3.1 引言27
• 3.2 风电齿轮箱载荷谱27-29
• 3.3 Romax Designer齿轮应力计算方法29
• 3.4 齿轮弯曲应力和接触应力计算29-33
• 3.5 2.5MW型风电增速箱的建模33-38
• 3.6 应力计算38-43
• 3.7 本章小结43-44
• 第四章 基于copula分析方法计算齿轮可靠度44-51
• 4.1 引言44
• 4.2 Copula函数简介44-46
• 4.3 齿轮疲劳可靠性计算46-51
• 4.3.1 疲劳可靠度理论46-48
• 4.3.2 齿轮可靠度计算48-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 总结与展望52-54
• 5.1 总结52-53
• 5.2 展望53-54
• 参考文献54-57
• 致谢57-58
• 攻读硕士学位期间的研究成果和参与项目情况58-59
• 附录 载荷谱（部分）59

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