風力發(fā)電機工作環(huán)境惡劣，常年經受無規(guī)律的變向變負荷的風力作用及強陣風的沖擊，加之高空架設、維修困難等原因，對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械系統(tǒng)高得多的要求。作為風力發(fā)電機傳動系統(tǒng)的關鍵部件，齒輪傳動系統(tǒng)需要承受高度不穩(wěn)定的隨機動載荷和比其他傳動機構高得多的疲勞循環(huán)，是風力發(fā)電機失效率最高的部件之一。因此，研究風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)的動力學行為和可靠性對提高風力發(fā)電機的穩(wěn)定可靠運行有重要的現(xiàn)實意義。 本文結合國家自然科學基金資助項目（50975294）——“基于柔性多體動力學的風電傳動系統(tǒng)可靠性研究”的研究任務，依據(jù)風力發(fā)電機的實際工況，針對其齒輪傳動系統(tǒng)的動力學和可靠性等問題進行了深入研究。主要研究內容包括以下幾個方面： ①風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)固有特性分析。 基于齒輪動力學理論和Lagrange方程，運用集中參數(shù)法建立了某1.5MW風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)的純扭轉動力學模型。將風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)中齒輪的彈性模量、質量密度、工作齒寬和分度圓直徑視為隨機變量，根據(jù)隨機攝動理論推導了系統(tǒng)特征值統(tǒng)計特征的表達式。應用隨機攝動法研究了齒輪物理參數(shù)和幾何參數(shù)隨機變異時系統(tǒng)固有頻率的統(tǒng)計特征，定量分析了各參數(shù)隨機變異對系統(tǒng)固有頻率的影響。 ②風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)隨機振動分析。 考慮齒輪時變嚙合剛度、綜合傳遞誤差和阻尼等因素，建立了考慮制造誤差的風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)純扭轉動力學模型。基于隨機波動(SV)模型來獲取風場的隨機風速序列，根據(jù)空氣動力學理論得到了齒輪傳動系統(tǒng)的外部激勵。系統(tǒng)地分析了風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)的內部激勵特征，對剛度激勵和傳遞誤差進行了分析和模擬。提出了風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)外部載荷和參數(shù)隨機變異時系統(tǒng)動態(tài)響應的求解方法。通過數(shù)值仿真得到了載荷和參數(shù)隨機變異時系統(tǒng)各響應量和齒輪副間動態(tài)嚙合力的統(tǒng)計特征，并分析了載荷和參數(shù)隨機變異對系統(tǒng)動態(tài)響應的影響。 ③載荷和參數(shù)隨機性對系統(tǒng)動力可靠性的影響分析。 依據(jù)雨流計數(shù)原則，對各齒輪副的動態(tài)嚙合力進行循環(huán)計數(shù)，得到變幅疲勞載荷的頻次數(shù)。采用Geber二次曲線等效方法計算得到了隨機風載作用下傳動系統(tǒng)等效應力幅值和頻次。建立了基于概率疲勞累積損傷理論的風電齒輪傳動系統(tǒng)動力可靠度模型，利用概率疲勞累計損傷理論推導計算了零件及系統(tǒng)的動力可靠度。研究了各參數(shù)隨機變異時系統(tǒng)動力可靠度隨時間的變化規(guī)律。分析了參數(shù)隨機性對傳動系統(tǒng)動力可靠度的影響，并將計算結果與Monte-Carlo法的計算結果進行了對比。 ④基于動力可靠性的系統(tǒng)概率優(yōu)化設計 根據(jù)風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)的結構模型，以傳動系統(tǒng)各構件扭轉位移均值和體積最小為優(yōu)化目標，以影響傳動系統(tǒng)動態(tài)性能和可靠性的參數(shù)為優(yōu)化設計變量，以傳動系統(tǒng)的可靠度、參數(shù)隨機性對可靠性的影響、以及各輪齒正常嚙合的條件和強度等為約束條件，建立了用于風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)可靠性概率優(yōu)化設計的數(shù)學模型。對系統(tǒng)優(yōu)化問題的求解方法進行了探討。對風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)進行了實例優(yōu)化，并將優(yōu)化結果與設計結果和Monte Carlo法的優(yōu)化結果進行了對比，驗證了本文優(yōu)化方法的可行性。 ⑤風力發(fā)電機齒輪增速箱隨機振動測試 根據(jù)相似理論設計制造了風力發(fā)電機齒輪增速箱，并搭建了振動測試試驗臺。根據(jù)風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)的工作特點，測量了各種隨機載荷工況下各測點的動態(tài)響應，經過數(shù)值積分和統(tǒng)計分析得到了風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)隨機振動的統(tǒng)計特征。將理論分析結果與試驗結果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)理論分析結果與試驗結果比較吻合，從而驗證了本文隨機振動分析方法的正確性。
【學位單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2012
【中圖分類】：TH132.41
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
1 緒論
    1.1 課題研究背景及意義
    1.2 風力發(fā)電技術發(fā)展概況
        1.2.1 風力發(fā)電機工作原理
        1.2.2 風力發(fā)電產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
        1.2.3 我國風電產業(yè)存在的問題
    1.3 齒輪系統(tǒng)動力學研究現(xiàn)狀
    1.4 齒輪系統(tǒng)可靠性研究現(xiàn)狀
    1.5 齒輪系統(tǒng)優(yōu)化設計研究現(xiàn)狀
    1.6 本文的主要研究工作及技術路線
        1.6.1 本文的主要研究工作
        1.6.2 研究技術路線
2 風電齒輪傳動系統(tǒng)固有特性分析
    2.1 引言
    2.2 隨機攝動法理論基礎
    2.3 風電齒輪傳動系統(tǒng)動力學建模
        2.3.1 風電齒輪傳動系統(tǒng)結構形式
        2.3.2 行星齒輪動力學模型及方程
        2.3.3 平行軸齒輪系統(tǒng)動力學模型及方程
        2.3.4 風電齒輪傳動系統(tǒng)動力學模型及方程
    2.4 基于隨機攝動理論的系統(tǒng)固有特性統(tǒng)計分析
        2.4.1 系統(tǒng)特征值分析
        2.4.2 系統(tǒng)特征值的統(tǒng)計特性
    2.5 風電齒輪傳動系統(tǒng)固有特性分析
        2.5.1 不考慮參數(shù)隨機性時系統(tǒng)的固有特性
        2.5.2 參數(shù)隨機性對系統(tǒng)固有特性的影響
    2.6 本章小結
3 風電齒輪傳動系統(tǒng)隨機振動分析
    3.0 引言
    3.1 考慮制造誤差的風電齒輪傳動系統(tǒng)動力學模型
    3.2 風電齒輪傳動系統(tǒng)主要激勵分析
        3.2.1 系統(tǒng)外部激勵分析與模擬
        3.2.2 系統(tǒng)內部激勵分析與模擬
    3.3 風電齒輪傳動系統(tǒng)隨機振動微分方程的求解
    3.4 風電齒輪傳動系統(tǒng)隨機動力響應分析
        3.4.1 外部風載對系統(tǒng)動力響應的影響
        3.4.2 隨機制造誤差對系統(tǒng)動力響應的影響
        3.4.3 設計參數(shù)隨機對系統(tǒng)動力響應的影響
    3.5 本章小結
4 考慮載荷和參數(shù)隨機性的風電齒輪傳動系統(tǒng)動力可靠性研究
    4.1 引言
    4.2 可靠性理論基礎
        4.2.1 可靠性概念
        4.2.2 可靠度分析中的常用函數(shù)
        4.2.3 隨機變量函數(shù)的統(tǒng)計特征
        4.2.4 可靠性分析中常用的分布密度函數(shù)
        4.2.5 系統(tǒng)可靠度
    4.3 風電齒輪傳動系統(tǒng)疲勞載荷譜
    4.4 基于概率累積損傷理論的風電齒輪傳動系統(tǒng)動力可靠度模型
        4.4.1 概率疲勞累積損傷理論
        4.4.2 基于概率累積損傷理論的風電齒輪傳動系統(tǒng)動力可靠度模型
    4.5 風電齒輪傳動系統(tǒng)可靠度計算
    4.6 載荷及參數(shù)隨機性對風電齒輪傳動系統(tǒng)動力可靠度的影響分析
    4.7 本章小結
5 基于動力可靠性的風電齒輪傳動系統(tǒng)概率優(yōu)化設計
    5.1 引言
    5.2 優(yōu)化設計基本理論
        5.2.1 優(yōu)化設計的數(shù)學模型
        5.2.2 可靠性概率優(yōu)化設計
    5.3 風電齒輪傳動系統(tǒng)動力可靠性概率優(yōu)化設計的數(shù)學模型
        5.3.1 設計變量的選取
        5.3.2 目標函數(shù)的確定
        5.3.3 約束條件的建立
    5.4 系統(tǒng)優(yōu)化問題的求解方法
        5.4.1 機會約束法
        5.4.2 序列二次規(guī)劃算法
    5.5 基于動力可靠性的風電齒輪傳動系統(tǒng)概率優(yōu)化設計
    5.6 本章小結
6 風力發(fā)電機齒輪增速箱隨機振動測試
    6.1 引言
    6.2 試驗方案及原理
        6.2.1 試驗裝置的基本組成
        6.2.2 測試系統(tǒng)的基本組成
        6.2.3 齒輪箱測點布置與隨機振動測試方案
    6.3 風力發(fā)電機齒輪增速箱隨機振動試驗及數(shù)據(jù)分析
    6.4 隨機振動計算結果與試驗結果對比
    6.5 本章小結
7 論文總結與展望
    7.1 本課題主要工作總結
    7.2 論文的創(chuàng)新點
    7.3 后續(xù)研究工作與展望
致謝
參考文獻
附錄
    A. 作者在攻讀博士學位期間發(fā)表的論文目錄
    B. 作者在攻讀博士學位期間參加的科研項目

【引證文獻】

相關期刊論文 前1條

1 譚秀峰;張國偉;謝里陽;何雪浤;;齒輪傳動系統(tǒng)的動力學研究與展望綜述[J];機電工程;2014年05期

本文編號：2837857