基于虚拟样机技术的风电齿轮箱动态特性研究

【摘要】：能源作为社会存在和发展的坚实基础,是经济增长和社会进步的重要保证。由于常规能源造成的能源短缺和环境污染等问题日益严重,为了解决这些问题,以确保各种经济领域的正常运行,实现经济和社会可持续发展,世界各国纷纷开始调整能源结构,大力开发新能源。风能作为一种可再生、干净无污染的能源被世界各国所关注。 风电齿轮箱作为风电机组的核心组成部分之一,其齿轮系统的振动、噪声等问题影响着风电机组的正常运转,因此研究风电齿轮箱的动态特性对于提高风电机组的整体寿命具有重要的意义。本文运用虚拟样机技术对1.5MW风电齿轮箱的动态特性进行分析研究,主要内容如下： 确定了1.5MW风电齿轮箱的传动结构,给出了齿轮箱的各个部件设计参数,同时对关键零部件进行了强度校核。利用Pro/E建立风电齿轮箱的各个零件模型,并得到装配体。 基于计算多体系统动力学理论,对多体系统动力学建模理论、计算方法和求解过程进行了讨论。在ADAMS中建立了风电齿轮箱的多体系统动力学模型。 在ADAMS中建立风电齿轮箱的虚拟样机,计算并设置仿真所需要的参数；对仿真结果进行分析和讨论,并且与理论计算结果进行对比,证明了仿真结果的正确性。 以风电齿轮箱中速级为对象对行星轮系进行了受力分析,将行星架和行星轮之间原有的旋转副用柔性衬套(bushing)代替,以此来模拟轴承获得更多的动态特性,得到了与理论结果相吻合的仿真结果。 采用大型有限元分析软件ANSYS对齿轮箱中速级的行星轮、太阳轮、齿圈进行了柔性化处理,生成了模态中性文件(MNF),并用这些柔性化的零件代替原来的刚性体。对齿轮箱进行了刚柔耦合仿真,得到了柔性体的动态应力应变、最大应力位置、危险节点等信息。 【关键词】：风电齿轮箱 行星轮系 动态特性 多体系统动力学 虚拟样机
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315;TH132.41
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 风力发电的现状11-15
• 1.1.1 风力发电的国外现状12-13
• 1.1.2 风力发电的国内现状13-15
• 1.2 风电齿轮箱的概况15-19
• 1.2.1 风电齿轮箱的简介15-16
• 1.2.2 风电齿轮箱中的主要问题16-17
• 1.2.3 风电齿轮箱的研究概况17-19
• 1.3 研究目的和意义19
• 1.3.1 研究目的19
• 1.3.2 研究意义19
• 1.4 本文主要研究内容19-20
• 1.5 本文技术路线20-21
• 第二章 风电齿轮箱的设计与PRO/E建模21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 电齿轮箱关键部件的设计21-24
• 2.2.1 第一级传动设计及强度校核22
• 2.2.2 第二级传动设计及强度校核22-23
• 2.2.3 第三级传动设计及强度校核23-24
• 2.3 齿轮箱关键部件的三维模型创建24-28
• 2.3.1 Pro/E创建斜齿轮的方法25-27
• 2.3.2 行星轮系的装配27-28
• 2.4 三维模型导入ADAMS28-29
• 2.4.1 ADAMS介绍28-29
• 2.4.2 数据转换方法29
• 2.5 本章小结29-31
• 第三章 风电齿轮箱多体系统动力学31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 多体系统动力学简介31-34
• 3.2.1 多体系统动力学建模理论32-33
• 3.2.2 计算多体系统动力学建模与求解一般过程33
• 3.2.3 多体系统拓扑结构描述33-34
• 3.3 多刚体系统在ADAMS中的基本算法34-41
• 3.3.1 系统坐标变换与欧拉角35-36
• 3.3.2 建立系统约束方程36-38
• 3.3.3 系统运动学方程的建立与求解38
• 3.3.4 系统动力学方程的建立与求解38-41
• 3.4 多柔体系统动力学建模41-44
• 3.4.1 多柔体系统中的坐标系41-42
• 3.4.2 柔性体的表示42-43
• 3.4.3 多柔体动力学方程43
• 3.4.4 柔性体动态应力应变的求解方法43-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 风电齿轮箱刚体模型在ADAMS中的仿真分析45-63
• 4.1 引言45
• 4.2 虚拟样机技术45
• 4.3 风电齿轮箱的多刚体系统模型建立45-48
• 4.3.1 多刚体系统模型的假设45-46
• 4.3.2 多刚体系统模型的拓扑关系46-48
• 4.4 仿真参数的计算与设置48-54
• 4.4.1 接触力计算48-49
• 4.4.2 接触参数确定49-52
• 4.4.3 ADAMS中的仿真参数设置52-53
• 4.4.4 检验样机模型53-54
• 4.5 仿真结果分析54-61
• 4.5.1 虚拟样机传动比分析54-55
• 4.5.2 齿轮传动角加速度分析55-58
• 4.5.3 高速级齿轮啮合的接触力仿真分析58-60
• 4.5.4 各级齿轮间的接触力大小对比60-61
• 4.6 本章小结61-63
• 第五章 风电齿轮箱中速级行星轮系分析63-75
• 5.1 引言63
• 5.2 中速级行星轮系的理论计算63-68
• 5.2.1 中速级行星轮系受力分析63-66
• 5.2.2 衬套(bushing)66-68
• 5.3 仿真结果与理论结果分析对比68-74
• 5.4 本章小结74-75
• 第六章 风电齿轮箱刚柔耦合模型仿真分析75-87
• 6.1 引言75
• 6.2 风电齿轮箱刚柔耦合模型的建立75-80
• 6.2.1 ADAMS中柔性体的创建75-76
• 6.2.2 创建模态中性文件(MNF)76-79
• 6.2.3 在ADAMS中建立中速级行星轮系刚柔耦合模型79-80
• 6.3 行星齿轮系统刚柔耦合动力学仿真分析80-85
• 6.3.1 齿圈与行星轮啮合力的轴向分力80
• 6.3.2 柔性体动态变形分析80-81
• 6.3.3 行星轮的模态分析81-82
• 6.3.4 柔性体动态应力分析82-84
• 6.3.5 柔性体应力动态变化84-85
• 6.4 本章小结85-87
• 第七章 总结与展望87-89
• 7.1 总结87-88
• 7.2 展望88-89
• 参考文献89-93
• 致谢93-95
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文95

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