风电齿轮箱轴承疲劳寿命研究

【摘要】：风能以其清洁、可再生、储量大及分布广等优点，受到了越来越多的重视及青睐，在全球探求新能源的今天，风能产业迎来了前所未有的发展机遇。目前，降低风力发电机组的故障率是设计和使用过程中的核心问题，故障的发生不仅影响运转效率及发电量，而且也大大增加了维修、更换零件等所需要的费用，因此，风力发电机组的可靠性是其性能的主要衡量指标之一。 在风电机组的各部件中，因风电齿轮箱的故障而造成停机的概率最高。而在复杂多变的外界载荷作用下，风电齿轮箱内部轴承的寿命难以准确预估是导致风电齿轮箱失效的一个重要因素。为了达到使用寿命要求，国产的大型风电机组中的齿轮箱轴承大多依靠进口，增加了生产成本，因此研究风电齿轮箱轴承的受力及疲劳寿命对风电行业的发展有着重大的意义。风电增速齿轮箱的高速轴端轴承由于转速较高，载荷变化较大，使预估其使用寿命的难度增加。本文拟对该处轴承进行动力学模拟及疲劳寿命分析。 当前，对轴承疲劳寿命的分析方法主要有试验法和疲劳寿命分析法两种。试验法具有较高的可靠性，但对风电增速箱的实验监控周期较长、费用较高；疲劳寿命分析法采用有限元分析法，利用数值仿真技术等对轴承的疲劳寿命进行分析预测。在采用有限元分析的研究方法中，前人多对轴承进行静力学或对单一的轴承进行动力学模拟，而较少采用多体动力学系统对整个传动系统进行动态分析。 本文结合我国风电发展的实际情况，针对2MW级风电齿轮箱的关键技术，从轴承基本额定寿命计算、变载荷模拟以及在多体动力学系统中对轴承寿命的预测等方面进行较为系统的研究。在ADAMS软件中，基于风电增速箱多体系统，对三种不同工况下圆柱滚子轴承内部关键部件滚动体与保持架进行动力学分析，得到动态载荷文件；应用ANSYS软件分析各时刻下滚动体与保持架的动应力与应变情况；基于nSoft软件分析风电高速轴圆柱滚子轴承在变载荷冲击作用下的疲劳寿命。 本文通过对风电齿轮箱高速轴轴承的理论分析、动力学仿真研究、寿命的预测及结果的分析，探讨了风电齿轮箱高速轴承的强度及寿命的分析方法，对风电齿轮箱轴承的设计、优化改进等可提供一定的理论参考。 【关键词】：风电 齿轮箱 轴承 疲劳寿命
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH133.33
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 论文研究意义10-12
• 1.2 风电齿轮箱的应用研究状况12-13
• 1.3 风电齿轮箱轴承的研究现状13-15
• 1.4 研究方法及研究内容15-18
• 1.4.1 本文的研究内容15-16
• 1.4.2 本文的研究方法16-18
• 第2章 风电齿轮箱高速轴圆柱滚子轴承疲劳寿命理论分析18-34
• 2.1 圆柱滚子轴承的线接触问题18-26
• 2.1.1 圆柱滚子轴承线接触问题的数值计算18-20
• 2.1.2 滚动轴承中的载荷分布20-22
• 2.1.3 滚动轴承接触应力及变形的计算22-23
• 2.1.4 NJ2232 型圆柱滚子轴承载荷分布计算23-26
• 2.2 轴承疲劳寿命理论26-28
• 2.2.1 滚动轴承的损坏与疲劳寿命26-27
• 2.2.2 滚动疲劳理论27-28
• 2.3 圆柱滚子轴承线接触轴承的疲劳寿命分析28-33
• 2.3.1 疲劳寿命统计理论的基本假说28
• 2.3.2 圆柱滚子轴承线接触疲劳寿命的计算28-30
• 2.3.3 风电齿轮箱轴承疲劳寿命的修正30-31
• 2.3.4 圆柱滚子轴承疲劳寿命的计算31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第3章 风电齿轮箱传动系统仿真分析模型的建立34-42
• 3.1 模型的简化及材料属性的确定35-36
• 3.1.1 保持架材料的确定35
• 3.1.2 轴承滚动体及内外圈材料的确定35
• 3.1.3 风电齿轮内部传动系齿轮等材料的确定35-36
• 3.2 仿真条件的确定36-37
• 3.3 基于 ADAMS 刚柔耦合的多体动力学分析37-38
• 3.3.1 刚柔耦合分析的基本流程37
• 3.3.2 基于 ADAMS/Durability 与 nSoft 的疲劳分析37-38
• 3.4 有限元软件中模态中性文件的求解38-41
• 3.4.1 高速轴圆柱滚子轴承保持架模态中性文件的分析39-40
• 3.4.2 轴承滚动体模态中性文件的分析40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 风电齿轮箱轴承动力学仿真结果分析42-57
• 4.1 工况一：齿轮箱起动至平稳运行状态下分析42-49
• 4.1.1 输入条件与负载扭矩的模拟42-43
• 4.1.2 滚动体载荷分布分析43-44
• 4.1.3 柔性保持架结果分析44-47
• 4.1.4 滚动体动力学分析47-49
• 4.2 工况二：齿轮箱在转速突变条件下系统仿真分析49-52
• 4.2.1 齿轮箱输入突变转速条件模拟49-50
• 4.2.2 保持架仿真结果分析50-51
• 4.2.3 滚动体结果分析51-52
• 4.3 工况三：齿轮箱紧急刹车情况下的仿真分析52-55
• 4.3.1 齿轮箱刹车工况的模拟52-53
• 4.3.2 保持架仿真结果分析53-54
• 4.3.3 滚动体结果分析54-55
• 4.4 本章小结55-57
• 第5章 齿轮箱高速轴圆柱滚子轴承疲劳寿命的分析57-65
• 5.1 线性累积损伤理论57-58
• 5.2 雨流计算法58
• 5.3 轴承疲劳寿命的分析58-64
• 5.3.1 滚动体在额定条件下疲劳寿命的分析58-60
• 5.3.2 保持架在额定条件下疲劳寿命的分析60-61
• 5.3.3 周期性载荷对滚动体疲劳寿命的影响61-63
• 5.3.4 周期性载荷对保持架疲劳寿命的影响63-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第6章 结论与展望65-67
• 6.1 结论65-66
• 6.2 展望66-67
• 6.2.1 工作中的不足66
• 6.2.2 工作展望66-67
• 参考文献67-71
• 附录一71
• 附录二71-72
• 附录三72-73
• 作者简介及科研成果73-75
• 致谢75

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