基于有限元法的风力发电机齿轮传动系统动态特性研究及优化设计

论文摘要

增速传动齿轮箱是风力发电机中最重要的组成部件之一,其工作性能对整个系统有着至关重要的影响。随着风力发电机单机功率的不断提高,以及齿轮箱所处的高空支架和变载荷工况等恶劣的运行环境,对齿轮传动系统的设计、制造、安装等提出了特殊要求,其动力学行为的研究已经成为国内外关注的热点课题。由于我国国产风力发电机齿轮箱的振动噪声普遍比国外产品严重,因此齿轮传动的振动和噪声研究便成为风力发电设备国产化中亟待解决的重要课题之一。论文课题受国家自然科学基金项目和国家支撑计划项目资助,以1.5MW风力发电机齿轮传动系统为研究对象,在全面考虑风力发电机齿轮箱系统在运行过程中的内部激励和由风速变化引起的外部激励的情况下,通过有限元方法对风力发电机增速箱系统进行了动态特性研究,对风力发电机增速箱的设计和振动噪声的控制具有重要的理论价值和指导意义。具体的研究工作如下:①用有限元法建立了包含齿轮副、传动轴和箱体的齿轮系统完整的动力学模型,该模型较好地反映了齿轮传动系统各部分的动态耦合效应。②全面研究了齿轮系统振动和噪声的产生机理,用有限元分析方法和误差近似等效方法模拟了齿轮啮合时的内部激励,并给出了由风速变化引起的外部激励,为齿轮系统振动响应分析作好了准备。③用I-DEAS软件对风力发电机齿轮箱系统进行了有限元模态分析,得到了系统的前10阶固有特性。分析结果表明在使用过程中不会发生共振现象。④全面考虑风力发电机齿轮传动系统的内部激励和外部激励,利用振型叠加法对齿轮箱系统进行了振动响应有限元数值模拟,得出在动态激励下齿轮箱的振动时域响应,结果具有良好规律性,增速箱的振动烈度为0.6026,表明齿轮箱振动情况良好,符合风力发电机的使用要求。⑤在求得系统振动响应的基础上,应用结构噪声分析方法,预估系统在计算点的结构噪声。计算结果证明,结构噪声的峰值发生在齿轮传动系统的啮合频率的倍频处。⑥以振动加速度最小为目标,以动应力和位移为约束条件对齿轮传动系统进行了动力响应优化设计,分析了齿轮传动系统动力响应优化设计结果,降低了齿轮传动系统的振动幅值和动态变形。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本文研究的背景
• 1.2 国内外风力发电发展状况
• 1.2.1 国外风力发电的发展状况
• 1.2.2 我国风力发电的发展状况
• 1.3 风力发电机增速齿轮箱
• 1.3.1 风力发电机增速齿轮箱概述
• 1.3.2 风力发电机增速齿轮箱常见故障
• 1.4 国内外齿轮系统的动态特性研究状况
• 1.5 国内外结构动力优化研究概况
• 1.6 论文的主要研究内容
• 2 风力发电机增速齿轮传动系统有限元模态分析
• 2.1 概述
• 2.2 模态分析方法
• 2.2.1 模态分析求解方法
• 2.2.2 有限元模态分析
• 2.2.3 I-DEAS 固有特性的计算方法
• 2.3 风力发电机齿轮箱系统有限元模态分析
• 2.3.1 齿轮传动系统耦合动力学模型
• 2.3.2 风力发电机增速传动系统的结构
• 2.3.3 风力发电机齿轮箱系统实体模型
• 2.3.4 风力发电机齿轮箱系统有限元模型
• 2.3.5 风力发电机齿轮箱固有特性的计算结果
• 2.4 本章小结
• 3 风力发电机齿轮传动系统动态激励
• 3.1 引言
• 3.2 齿轮啮合内部动态激励的产生机理
• 3.2.1 时变啮合刚度激励的产生机理
• 3.2.2 误差激励的产生机理
• 3.2.3 啮合冲击激励的产生机理
• 3.3 齿轮传动动力学方程
• 3.4 风力发电机齿轮系统内部激励数值模拟
• 3.4.1 风力发电机齿轮传动系统刚度激励的数值模拟
• 3.4.2 风力发电机齿轮传动系统误差激励数值模拟
• 3.4.3 风力发电机齿轮箱齿轮啮合冲击激励数值模拟
• 3.5 风力发电机齿轮箱内部动态激励合成
• 3.6 风力发电机齿轮系统的外部激励
• 3.7 本章小结
• 4 风力发电机齿轮箱振动响应和结构噪声分析
• 4.1 引言
• 4.2 振动响应分析理论
• 4.2.1 模态叠加法的求解思路
• 4.2.2 I-DEAS 软件振动响应求解过程
• 4.3 风力发电机齿轮传动系统动态响应有限元分析
• 4.3.1 风力发电机齿轮传动系统振动响应分析模型
• 4.3.2 风力发电机齿轮传动系统振动响应分析结果
• 4.4 风力发电机齿轮传动系统结构噪声分析
• 4.4.1 齿轮箱的结构噪声分析方法
• 4.4.2 风力发电机增速齿轮箱结构噪声分析结果
• 4.5 本章小结
• 5 风力发电机增速齿轮箱动力优化设计
• 5.1 机械系统动力优化设计理论和方法
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 动力优化设计数学模型
• 5.1.3 动力优化设计的数值计算
• 5.1.4 结构动力优化设计的实现
• 5.1.5 I-DEAS 软件的动力优化方法
• 5.2 风力发电机齿轮传动系统动力优化模型的建立
• 5.2.1 目标函数的确定
• 5.2.2 设计变量的选取
• 5.2.3 约束条件的建立
• 5.3 风力发电机增速齿轮传动系统动力优化设计的计算
• 5.3.1 选择分析类型
• 5.3.2 定义设计变量
• 5.3.3 定义约束条件
• 5.3.4 定义设计目标
• 5.3.5 确定优化控制参数
• 5.4 风力发电机增速齿轮箱动力优化设计结果与分析
• 5.5 风力发电机增速齿轮箱优化前后动态特性比较
• 5.6 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录