随机风载下兆瓦级风电机组传动链系统动力学特性及有限元分析

【摘要】：风力发电机组是建立在环境恶劣的荒野高空上,交通不便,而且现代风力发电机组正向着大型化、巨型化发展,更加大了风电机组维修成,因此对风力发电机组的可靠性和稳定性提出了很高的要求。而在所有的风电机组失效原因中,传动链系统在受外界动态载荷和自身内部时变激励载荷的耦合作用下,引起系统各个部件出现非线性的动态响应,致使传动链系统中部件的失效比例占风机部件失效的绝大部分。因此研究风力机在当地特定自然风速环境下风力发电机组传动链系统的动力学特性响应问题是关系到风电机组长久可靠运行的重要理论支持。 本文以2WM风力机组传动链系统为研究对象,利用达朗贝尔原理建立了考虑齿轮时变啮合刚度、时变啮合阻尼、时变啮合激励下,包括风轮、主轴、由两级行星轮和一级平行轴齿轮组成增速箱的整个传动链系统的非线性耦合动力学方程,并利用Matlab编程进行数值动态响应仿真。最后对风电机组传动链系统中最重要的部件齿轮箱中齿轮副,做了相关的有限元分析。 本论文的主要研究内容包括： (1)风速模型的建立：通过两参数的weibull风速模型,建立了西北酒泉地区自然风速模型。在以该风速模型为基础的前提下结合2WM风电机组参数为研究对象获得风轮在自然风速作用下的转矩曲线,也即得到了风电机组传动链系统的随机时变输入外载荷。 (2)传动链系统动力学方程的建立：采用集中质量法,利用达朗伯原理建立了风电机组传动链系统的纯扭转弹性动力学模型。动力学方程建立过程中以风轮获得的时变随风转矩为外载荷,并且充分考虑了齿轮箱中齿轮间的时变啮合刚度、时变啮合阻尼、时变啮合误差等因素对系统动态响应的影响。 (3)传动链系统的动态响应：利用Matlab通过Runge-Kutta法,编写程序求解系统动态响应,得到风电机组传动传动系统在外界激励和内部激励共同作用下传动系统各个部件的振动响应,如盘类零件的振动位移、振动速度、齿轮副间动态啮合力,以及整个系统的固有模态等。 (4)齿轮副的有限元分析：利用Ansys中自带的APDL语言建立齿轮箱中齿轮副的有限元模型并对齿轮副进行了瞬态动力学分析,发现利用有限元法对齿轮副进行瞬态动力分析具有一定的工程应用价值。 通过理论分析、编程计算获得了系统部件的各项动态响应数据,利用Ansys正确建立了的齿轮副有限元分析模型,这都在工程中具有一定的应用价值。 【关键词】：自然风速 风力发电机 传动链 动态响应 有限元分析
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要7-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 绪论13-22
• 1.1 选题背景及意义13
• 1.2 风力发电组发展概况13-15
• 1.3 国内外风力机动力学研究现状15-20
• 1.3.1 国内外风力机整机动力学研究现状15-17
• 1.3.2 国内外齿轮动力学研究现状17-19
• 1.3.3 齿轮箱动力学模型的建模方法19-20
• 1.4 课题研究内容和技术路线20-22
• 第2章 西北酒泉地区自然风速模拟计算22-28
• 2.1 引言22
• 2.2 两参数WEIBULL随机风速模型22-27
• 2.2.1 两参数weibull分布的数学模型简介22-23
• 2.2.2 两参数weibull分布模型参数的计算23-25
• 2.2.3 随机风速下时变输入转速和输入转矩的生成25-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第3章 风力发电机组传动链系统动力学模型的建立28-54
• 3.1 引言28
• 3.2 风力机发电机组传动链系统振动模型28-30
• 3.2.1 齿轮副扭转振动模型29
• 3.2.2 风电机组传动链系统29-30
• 3.3 风力机传动链系统动力学等效模型30-32
• 3.4 传动链系统齿轮箱中各个齿轮之间弹性变形数学表达式32-35
• 3.5 风力机传动链系统动力学方程的建立35-39
• 3.6 动力学方程中主要参数确定方法研究39-51
• 3.6.1 动力学参数分类及确定方法39-40
• 3.6.2 传动链系统几何参数的确定40
• 3.6.3 主轴和行星架的等效刚度的计算40-41
• 3.6.4 轴类零件的扭转阻尼41-42
• 3.6.5 齿轮副的时变啮合刚度42-47
• 3.6.6 齿轮副的时变啮合阻尼47-49
• 3.6.7 误差激励49-51
• 3.7 传动链系统的外部输入激励51-52
• 3.8 动力学方程中其他参数的确定52-53
• 3.9 本章小结53-54
• 第4章 风电机组传动链系统模态及动态响应分析54-65
• 4.1 引言54
• 4.2 传动链系统的固有特性54-56
• 4.2.1 相关概念54
• 4.2.2 固有特性求解方法的分析54-56
• 4.3 传动链系统固有特性的求解56-57
• 4.4 传动链系统动态响应的求解57-59
• 4.4.1 求解方法57-58
• 4.4.2 求解过程58-59
• 4.5 传动链系统动力学微分方程的求解59
• 4.5.1 风力机计算实例59
• 4.5.2 模拟风轮扭矩输入59
• 4.6 系统的动力学响应特性分析59-64
• 4.6.1 系统各个部件的振动位移响应特性曲线59-61
• 4.6.2 系统各个部件的振动速度响应特性曲线61
• 4.6.3 系统各级齿轮副之间时变啮合力变化曲线61-64
• 4.7 本章小结64-65
• 第5章 齿轮箱轮齿的瞬态动力学分析65-76
• 5.1 引言65
• 5.2 齿轮接触理论及有限元方法65-68
• 5.2.1 传统接触力学的方法65-67
• 5.2.2 接触分析的有限元方法67-68
• 5.3 基于ANSYS的齿轮参数化建模和动力学分析68-74
• 5.3.1 有限元模型的建立及求解过程68
• 5.3.2 Ansys中的齿轮系统参数化建模68-69
• 5.3.3 Ansys中的接触分析69-70
• 5.3.4 齿轮副瞬态动力学分析70-74
• 5.4 本章小结74-76
• 总结与展望76-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-83
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录83-84
• 附录B 参加科研项目情况84

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