开题报告-风力机增速齿轮箱结构设计及有限元模拟分析

开题报告 1 附件附件 1 1 风力机增速齿轮箱结构设计及有限元模拟分析 开题报告 班级（学号）班级（学号）: :能源能源 13011301（20130103602013010360） 姓名：张睿姓名：张睿 指导教师：李乐指导教师：李乐 一、一、综述综述 1.11.1 课题背景及意义课题背景及意义 中国自改革开放以来，经济、政治等各方面发展迅猛，不断创造着各种各样的奇迹， 作为最大的发展中国家， 被受世界的瞩目。 然而飞速发展增加了国力的同时也造成了巨大的 能源消耗，截止 2010 年中国在成为了世界最大能源消费国，能源消费量成功超越了美国， 就 2010 年一年就为全球能源消费量贡献了 20.3%。中国的能源消耗主要来自于化石能源的 释放，受技术和储存量的限制，目前在对石油和天然气方面的应用还较单一化和小众化，因 此中国的能源消耗主要来自于储量较丰富、 技术较成熟的煤炭。 但是就目前发展所需的能源 消费量，不超过 70 年，我国的煤炭资源就会消耗枯竭 1。另外化石能源的使用还会造成许 多的环境问题， 日益严重的雾霾已经严重影响了我们的生活质量和身体健康。 因此开发新能 源迫在眉睫。 近年来，由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范围内取 得，非常干净、没有污染，不会对气候造成影响，因而风力发电具有极大的推广价值，风力 发电行业在全球的发展日益迅猛，产业逐渐扩张 2。每年都能保持到 20%的增速，国家也十 分支持这一新能源行业的发展，“十三五”期间，大力发展清洁型新能源，是我国可持续性 经济型社会的主要发展战略， 也是我国重要的战略决策， 使得风电行业的发展前景十分广阔 3。全球风能理事会发布 2016 年全球风电发展统计数据:2016 年全球市场新增容量超过 54.6GW（如图 1）， 全球累计容量达到 486.7GW（如图 2）。在 2016 年中国不论是新增装 机容量还是累计装机容量都在全球位居首位（如图 3 和图 4），在这样的产业状况下，如今 不断提升风力发电机组技术水平尤为重要，关系到整个行业的发展进程。 开题报告 2 图 1 全球风电新增装机容量 2001-2016 图 2 全球风电装机累计容量 2001-2016 图 3 2016 全球新增装机容量排名前十图 4 2016 全球累计容量排名前十 风力发电机按照速度分类可分为恒速型发电机组和变速型发电机组。 恒速型发电机组因 其简单、可靠性高、成本低等优势首先被采用于风电机组工业中，并且一直未被淘汰。相比 与恒速型的风力发电机组，变速型风力发电机组具有更加明显的优势，应用也更加广泛。第 一，电网频率解耦，拥有更加灵活的控制和优化运行能力。第二，具有电力电子交流器，作 为发电机与电网之间的连接装置。 第三， 变速风电机组的变速操作使风力发电机组不断的改 开题报告 3 变转速，以便得到最大的空气动力效率。第四，变速系统使风电机组在较宽的风力变化区域 中获得的空气动力效率保持最大。因此变速型风力发电机组成为了目前市场的主流 4。齿轮 箱作为变速型风力发电机组的关键部件之一， 在风电机组运行过程中起着重要作用。 它不仅 承接轮毂输入的转矩， 还要将转矩产生的动能传递给发电机组。 齿轮箱设计的是否合理直接 关系到风电机组的效率和寿命。我国的地势条件决定，风力发电机必须安装在荒原、海岛、 高山等风口处，面临各类风力作用的考验以及强阵风的冲击，风电机起停频率高、受到的冲 击大 5，导致故障极易发生，另外由于这些地方气候条件比较恶劣，交通也不方便，并且故 障一般发生在用电高峰期，导致检测和维修会十分困难。因此，风力发电机组增速齿轮箱一 般要求更高的可靠性和使用寿命。外部环境不可改变，自然冲击无法减小，那么想要提高增 速齿轮箱的可靠性和使用寿命，就需要在齿轮箱的结构上做文章。对于不同功率、不同类型 的风力发电机，合理选择不同的增速齿轮箱的齿轮组合方案，保证齿轮间正确啮合，合理分 配传动比，并对其进行分析和计算，可以有效减少齿轮的失效，对增加齿轮箱的使用寿命有 很大的帮助，深入研究风力发电机组齿轮箱结构设计，对提高齿轮承载能力，增加齿轮箱的 传动寿命，减少噪音，保证传动平稳性有着重要意义。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 增速齿轮箱是风力发电设备的重要组成部分， 它的研究和开发是风电技术的核心， 并正 向高效、高可靠性和大功率方向发展 6。在这一方面发展最快并且最具有影响力的国家主要 是美国、丹麦、德国等国家，他们的技术相对较为成熟，设计理论相对较为完善，设计经验 也非常的丰富，在风电行业处于统治地位 7。目前，我国已经能够自主研发小功率风力发电 机组， 而更多的风力发电技术大多来源于欧洲， 但是我国的环境条件相比于欧洲有着很大的 不同，技术应用方面也存在着很多的问题，清洁能源得到了世界的认可和提倡的同时，也使 得风电机组的需求量不断增加， 单机的容量也就随之不断增大， 大功率的风力发电机组正是 我国的技术难点。 大功率的风力发电机组的齿轮箱具有了更加复杂的受力情况， 极易发生失 效和故障，其中损坏比例最大的部件就是齿轮。齿轮受到外力的影响容易发生点蚀、磨损、 胶合、断齿、疲劳裂纹等失效情况，极大的影响了齿轮箱的使用寿命，国内的大型风电机组 齿轮箱的主要结构形式有三种：1、二级平行轴；2、三级平行轴；3、一级行星加二级平行 轴；4、二级行星 8。 为了提高风力发电机齿轮箱的性能， 需要深入研究增速齿轮箱结构的动力学特性， 其中 主要包括齿轮啮合过程的非线性动态接触应力特性。 9近年来普遍用于风电机组齿轮箱动力 开题报告 4 学分析计算的方法之一是有限元法 10。 有限元法的基本思路是， 将连续的求解区域离散为一 组有限个数、 且按照一定的方式相互联结在一起的单元的组合体， 利用在每一个单元内假设 的近似函数来分片地表示求解域上待求的未知场函数， 从而使一个连续的无限自由度问题变 成离散的有限自由度问题，即用一个简单的问题代替复杂问题后求解 11。韩西等在 1999 年 结合有限元分析法建立增速器有限元动力学模型。 邵忍平等对齿轮传动系统进行建模和相应 分析，证明了有限元法研究的准确性。朱才朝等通过有限元分析得到系统的振动位移特性。 J.O.Hallquist 等首次将有限元方法与罚函数相结合求解动力学接触问题。 F.Fmahmoud 等应 用直接积分的方法模拟有限元模型动态接触的弹性变形，得到圆柱体的弹性接触力数值。 J.C.Malone 等使用有限元接触法来求解非线性问题 12。 从国外对风电机组齿轮箱的研究成果来看，从上世纪 80 年代初在学术上已经开始持续 关注齿轮箱的动态特性，无论是研究的形式 还是理论都越来越深入和细化，形成了一定的 体系，通过将实验上不断积累经验数据，利用快速发展的虚拟仿真技术，三者结合从而使齿 轮箱的设计、制造技术有了很大的提高，大大提高了风电机组齿轮箱的可靠性、稳定性和使 用寿命，减少了齿轮箱的损害更换率 13，同时也节约了维修成本，效率大大提高。 1.31.3 研究意义研究意义 开发新能源是国家能源建设实施可持续发展战略的需要， 是促进能源结构调整、 减少环 境污染、推进技术进步的重要手段。风能资源作为清洁的可再生能源，是新能源中技术最成 熟、 开发条件和商业化发展前景最具规模的发电方式之一。 风力发电机组齿轮箱位于风轮和 发电机之间， 将机械能传递给发电机产生电能， 它是受到重载的无规律变向载荷以及瞬间强 冲击载荷作用的齿轮增速装置， 它拥有风力发电机组传动系统中最多的传动零件并且也是最 重要却也脆弱的部件 14。齿轮轮齿的系统传动精度、静动力接触特性、系统动态性能等特性 受齿轮啮合时轮齿的弹性变形、时变啮合刚度、啮入出冲击、齿侧间隙、制造误差等多种因 素影响。加强对齿轮的研究至关重要，对齿轮箱进行结构设计，使用合适的传动方案，使齿 轮更好地啮合，保证齿轮传动效率的同时降低噪声，提高齿轮运行的可靠性，增加齿轮的使 用寿命， 是提高整个风力发电组性能的关键 15。 在大功率的风电机组齿轮箱中通常主要使用 一级行星加二级平行轴的结构型式 16。 其传动路线是： 桨叶传动轴收缩套行星架太 阳轮第二级平行轴小齿轮第一级平行轴大齿轮第一级平行轴小齿轮发电机。 因此设 计适当的齿轮箱传动方案， 齿轮齿数模数， 着重校核齿轮的接触应力和热应力对于规避齿轮 在使用过程中出现的各种问题有着非常重要的意义。 通过对齿轮箱内的齿轮进行动态特性分析， 研究其复杂的受力情况和应力分布情况， 利 开题报告 5 用 ANSYS 软件得到齿轮在边界条件下的形变，选择合适的齿数、模数和材料 17。通过建立齿 轮的有限元模型以及施加接触应力，完成对齿轮的接触应力、应变分析。 二、研究内容二、研究内容 对1.5MW风力发电机增速齿轮箱进行设计计算； 利用Pro/E对齿轮箱建立三维实体模型； 利用有限元分析软件 ANSYS 建立有限元模型、划分网格、设置边界条件，进行齿轮有限元模 拟分析，得到齿轮的应力分布状态和应变状态。 具体在以下几个方面进行研究分析： 1. 对 1.5MW 风电机组增速齿轮箱的设计方案进行选择 2. 进行齿轮箱结构设计计算； 3. 运用 Pro/E 对 1.5MW 风电机组增速齿轮箱中各部件进行三维实体建模； 4. 将齿轮箱中的齿轮的三维模型导入有限元软件 ANSYS 中进行网格划分，对齿轮进行 应力应变有限元模拟分析。 三、实现方法及预期目标实现方法及预期目标 图 5 设计方案示意图 首先根据已知数据和设计准则设计齿轮箱。 风电齿轮箱的结构设计， 要依据其所要求的 技术匹配参数， 选择适当的齿轮传动方案， 在大功率的风电机组齿轮箱中主要使用一级行星 加二级平行轴圆柱齿轮的结构型式， 因此此次也采用一级行星加二级平行轴圆柱齿轮结构的 齿轮组（如图 5）进行设计计算。其传动路线是：桨叶传动轴收缩套行星架太阳轮 第二级平行轴小齿轮第一级平行轴大齿轮第一级平行轴小齿轮发电机。 在此基础上 进行传动比分配与各级传动参数如模数、齿数、螺旋角等的确定。 开题报告 6 齿轮箱设计完成之后要利用 Pro/E 对齿轮箱内各部件进行建模和总体装配， 主要对齿轮 进行建模分析，利用 ANSYS 建立有限元模型，划分网格并进行齿轮有限元模拟分析，分析主 要齿轮部件的应力应变状态。 重点是利用 Pro/E 和 ANSYS 软件对齿轮箱进行建模和分析。 预期目标为：完成设计图纸；齿轮的应力应变限元模拟图。 难点在于齿轮有限元模型构建及模拟分析。 环境为 Pro/E 和 ANSYS 软件。 四、对进度的具体安排四、对进度的具体安排 第 2 周，完成文献调研，开始英文翻译； 第 4 周，完成开题报告，完成英文翻译； 第 7 周，完成齿轮箱设计计算，开始绘制草图； 第 8 周，建立齿轮箱三维实体模型； 第 9 周，完成重要齿轮有限元建模； 第 10 周，完成齿轮部件应力应变有限元模拟分析； 第 12 周，完成论文初稿； 第 14 周，完成论文最后修改和分析修改，提交论文最终稿； 第 15 周，打印论文，做好 PPT 准备答辩； 五、参考文献五、参考文献 1 薛丹.变风载下 2.5MW 风电增速器行星轮系动力学特性分析D.宁夏：宁夏大 学，2015：1. 2 李静松，李文军.大型风电机组增速齿轮箱箱体结构优化设计研究J.农业科技与装 备，2016,08（5）：16-17. 3 刘波，贺志佳，金昊.风力发电现状与发展趋势J.东北电力大学学报，2016，36（2） ： 7-8. 4 谢琨.大型渐开线斜齿内齿轮副强度分析与齿廓修形方法研究D.辽宁省： 沈阳 工业大学，2012:1-2. 5 蒋宏春.风力发电技术综述J.机械设计与制造，2010,09（2）：250. 6 王桂梅， 曹艳芳.风力发电行星齿轮传动基本构件的有限元分析J.河北工程大 学学报( 自然科学版)，2012，29（3）：81. 开题报告 7 7 陆晶晶.风电行星轮增速器齿轮传动系统动力学建模与分析D.辽宁：东北大 学，2010：3-4. 8 吉科峰.风力发电机组增速齿轮箱结构形式比较J.科学之友， 2012,20 （2） :24， 26. 9 Guo,Y&R.G.Parker.Dynamic Modeling And Analysis of a Spur Planetary Gear Involving Tooth Wedging And Bearing Clearance NonlinearityJ.European Journal of Mechanics A/Solids,2010(39):1022-1026. 10 林腾蛟，宋建军，孟令宽，陈兵奎.风电增速齿轮箱动力学性能优化方法J. 重庆大学学报，2016，39（4）：16-17. 11 黄智敏.风电增速箱齿轮传动系统动力学特性分析D.辽宁省：东北大学， 2011:3-4. 12 赵翀.基于有限元法的风电增速器动力学特性研究D.大连：大连理工大学， 2012：3-4. 13 王建，罗善明，诸世敏，徐攀.风电齿轮三维接触有限元分析J.机械传动， 2010，34（3）：27,32. 14 付雅林，吴伏家，李震崔，瑞强.一种风力机行星齿轮箱的设计与计算J.机