MW级风电齿轮箱的动力学特性研究

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齿轮箱是风电机组的核心部件。其性能好坏将直接影响整个风力发电机组能否正常工作。风力发电机组常年在相对恶劣的自然环境下工作,长期受到不稳定风载荷的影响,同时,对于齿轮箱中的传动系统又受到其构件特点所固有的内激励的影响,使齿轮箱出现很高的故障率,因此对齿轮箱传动系统动力学特性的研究就显得尤为必要。本研究以1.5MW风力发电机组齿轮箱的斜齿传动系统为研究对象,分析齿轮箱传动系统的动力学特性,具体的研究内容和获得的研究结论如下:  1)齿轮箱三维空间动力学模型的建立。针对斜齿轮系轴向力的存在,将齿轮箱传动系统置于三维空间坐标系中,建立系统的三维空间非线性动力学模型。建模时考虑每个构件的6个自由度,外激励、时变啮合刚度、综合啮合误差、陀螺效应对系统影响。在解决多级齿轮耦合问题时,采用更适合三维空间动力学模型的受力分析方法。通过对方程组进行量纲归一化处理,得到了统一的矩阵形式,为风电斜齿齿轮箱的空间动力学研究提供了理论基础。  2)齿轮箱传动系统动态特性的研究。采用低频正弦曲线来模拟随机风载荷,利用线性代数相关理论来解决由于不同级齿轮间的耦合而造成的方程耦合问题,在Matlab中求解系统的动态响应。系统中每一个单独构件沿6个自由度方向的振动响应位移曲线均为高、低频正弦曲线的耦合,且高、低频正弦曲线频率相等,其中低频正弦线由外激励决定,高频正弦线由内激励决定。不同构件沿同一自由度方向的振动位移幅值随着构件转速的增大而增大。  3)刚柔耦合状态下齿轮箱传动系统动态特性的研究。针对高速齿轮轴在运转时产生较大变形的问题,利用刚柔耦合模型仿真来研究系统在稳态输入下的动态响应。通过对高速齿轮轴的柔性化处理和采用冲击接触理论模拟齿轮啮合关系实现齿轮箱传动系统的刚柔耦合。通过响应分析,得出各构件在启动阶段受到很大的冲击载荷,而后趋于平稳波动。对于不同构件,角速度越大,启动阶段的角加速度波动幅值也越大。  研究所得的结论,为风电机齿轮箱的设计和动力学特性研究提供了充分的理论基础。
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