风电增速器行星轮系动态性能分析与参数优化

【摘要】：目前,风电装备正朝着大型化和高可靠性方向不断发展,对于风机设计和运行维护等方面提出了更高的要求。风机传动系统面临独特的动力学问题,同时风电装备在全寿命区间上的复杂随机载荷历程也使得风机传动系统的设计和计算有了与以往不同的特点。这些都使得风电装备动力学基础理论和动态性能分析具有非常深刻的意义。 本文以大功率风电增速齿轮箱的两级行星轮系为研究对象,以齿轮动力学的振动理论为基础,以数值仿真分析为手段,对两级行星轮系的动力学特性和振动行为进行了研究,并对齿轮箱的设计参数进行优化设计以达到减振降噪的目的。 首先,建立系统动力学模型和分析模型。根据齿轮系统自身的特点,采用集中质量法建立了两级行星轮系的弯—扭—轴耦合非线性动力学模型,在模型中综合考虑误差激励、时变啮合刚度激励和齿侧间隙等影响因素。在动力学模型的基础上建立了两级系统的非线性时变分析模型。 第二,分析系统的动力学特性：以固有特性计算理论为依据,分别对第一级、第二级和两级耦合行星轮系的固有频率进行了计算,并总结得到了各自的振动模式,在此基础上,研究了时变啮合刚度、行星架扭转刚度、太阳轮和行星轮的支撑刚度以及各轮质量对系统固有频率的影响。 第三,研究系统的振动行为：利用双参数威布尔分布模拟风电齿轮箱的外部变载激励,对两级行星轮系的非线性变参数微分方程组进行无量纲化处理,通过对无量纲化后的方程组求解得到系统各自由度振幅的位移响应和各扭转自由度上的相图曲线和庞加莱图。研究了输入转速和连接轴的扭转刚度对系统位移振幅的影响规律。 最后,以减振降噪为目标对系统进行优化设计：以系统加速度峰值最小为目标,以行星轮系能够正确传动和保证系统强度满足要求为约束条件,建立基于动力学的参数优化设计模型,并对其参数进行优化设计。从优化前后结果对比可知,系统最大加速度峰值得到降低,其他各构件加速度也保持在较低数值,系统体积得以减小,达到了减振降噪和系统体积轻量化的目的。 【关键词】：大功率风力机传动系统 非线性耦合 动力学特性 振动响应
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH132.425
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 课题研究的背景和意义10
• 1.2 风电齿轮箱的研究现状10-12
• 1.3 行星轮系动力学研究现状12-17
• 1.3.1 分析模型13-14
• 1.3.2 求解方法14-15
• 1.3.3 研究内容15-17
• 1.4 本文的研究内容17-19
• 2 两级行星轮系耦合非线性模型的建立19-33
• 2.1 前言19
• 2.2 等效力学模型的建立19-23
• 2.3 力学模型中主要参数的确定23-28
• 2.3.1 时变啮合刚度的确定24-27
• 2.3.2 轮齿啮合误差的确定27-28
• 2.4 两级行星轮系分析模型的建立28-32
• 2.4.1 弹性变形协调条件28-29
• 2.4.2 第一级行星轮系分析模型29-30
• 2.4.3 第二级行星轮系分析模型30-31
• 2.4.4 分析模型中参数的说明31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 3 两级行星轮系动力学特性研究33-55
• 3.1 前言33
• 3.2 固有特性计算原理33-34
• 3.3 行星轮系固有频率及振型分析34-44
• 3.3.1 第一级行星轮系固有频率及振型34-39
• 3.3.2 第二级行星轮系固有频率及振型39-43
• 3.3.3 行星轮系耦合模态分析43-44
• 3.4 参数对系统固有频率的影响44-54
• 3.4.1 时变啮合刚度对固有频率的影响44-48
• 3.4.2 行星架扭转刚度对固有频率的影响48-50
• 3.4.3 支撑刚度对固有频率的影响50-53
• 3.4.4 质量对固有频率的影响53-54
• 3.5 本章小结54-55
• 4 变载荷下两级行星轮系的振动行为研究55-79
• 4.1 前言55
• 4.2 系统运动微分方程的求解55-57
• 4.3 风机输入变载荷的处理57-61
• 4.3.1 双参数威布尔分布计算原理57-58
• 4.3.2 随机风速的生成58-59
• 4.3.3 变风速下时变输入扭矩和输入转速的生成59-61
• 4.4 微分方程的无量纲化61-68
• 4.4.1 第一级行星轮系无量纲化方程63-65
• 4.4.2 第二级行星轮系无量纲化方程65-68
• 4.5 系统各主要构件的动态响应68-75
• 4.5.1 时域位移响应曲线68-72
• 4.5.2 相图曲线72-73
• 4.5.3 Poincare曲线73-75
• 4.6 参数对系统振动响应的影响75-78
• 4.6.1 输入转速对系统振幅的影响75-77
• 4.6.2 连接轴扭转刚度对系统振幅的影响77-78
• 4.7 本章小结78-79
• 5 两级行星轮系的参数优化设计79-95
• 5.1 前言79
• 5.2 优化过程简述79-80
• 5.3 系统优化设计数学模型80-84
• 5.3.1 目标函数80-81
• 5.3.2 设计变量81
• 5.3.3 约束条件81-84
• 5.4 优化结果及分析84-94
• 5.4.1 设计变量原始参数84-85
• 5.4.2 目标函数优化结果及分析85-94
• 5.5 本章小结94-95
• 结论95-97
• 参考文献97-101
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况101-102
• 致谢102-103

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