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m w 级风力发电机传动系统动力学分析与研究 摘要 由于大型水平轴风力发电机组常年运行在比较恶劣的自然环境中，通常 要求风机要有2 0 年的使用寿命。但是，风力发电机在工作过程中受载情况 相当复杂，机组的各个部分随时都可能出现故障。传动系统作为风力发电机 的重要组成部分，在整个风力发电系统中起着举足轻重的作用。然而在大型 风机国产化进程中，其设计制造技术问题已成为了制约风电设备行业发展的 瓶颈。因此，在风力发电机组的设计研究过程中，要对各系统及其零部件进 行静态和动态的载荷分析、强度分析、结构力学特性分析、稳定性与可靠性 分析等，以确保风机在其设计寿命内能够正常运行。 论文课题在陕西省自然基金和陕西省教育厅项目的资助下，通过与山东 长星集团的合作，以长星集团制造的2 m w 风力发电机组的传动系统为研究 对象，对其动力学特性进行了深入的分析与研究，为风机齿轮系统国产化设 计制造提供了技术依据和理论基础。同时，还为以后对齿轮系统进行可靠性 分析，寿命预测等更深层次的研究奠定了基础。具体的研究工作有： 首先，运用p r o e 三维建模软件建立2 m w 风力发电机组齿轮系统的三 维实体模型，从而可以清楚地展示其内部结构和相互间的运动关系。 其次，从理论上验证齿轮系统各啮合副轮齿的静强度，计算轮齿的弯曲 疲劳强度和接触疲劳强度，从而校核该齿轮系统的轮齿强度的安全性。 然后，在齿轮系统动力学的基础上，依据达朗贝尔原理建立该风机齿轮 系统的动力学模型。然后，使用m a t l a b 软件计算该齿轮系统的固有频率和 振型。根据计算结果分析该齿轮系统工作时的振动情况。 最后，依据有限元理论，利用有限元软件分析高速级齿轮箱的固有特性， 从而验证其工作的可靠性与安全性。 关键词：风力发电机，齿轮传动系统，动力学，固有特性，有限元 m e g a w a t tw i n d t u r b i n ed r i v es y s t e m d y n a m i c sa n a l y s i sa n dr e s e a r c h a b s t r a c t b e c a u s el a r g es c a l eh o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n e sr u ni nh a r s he n v i r o n m e n t s f a n so f t e no n l yh a v e2 0y e a r so f1 i f e r m dt u r b i n e sa r ew o r ki nt h ec o m p l e x i t y s i t u a t i o n ，t h ev a r i o u sp a r t so fw i n dt u r b i n e sm a yo c c u rb r e a k d o w na ta n yt i m e t h et r a n s m i s s i o ni sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ew i n dt u r b i n e 砀ew i n d p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e h o w e v e r , o ft h el a r g ef a n s d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gi s s u e sh a v el i m i t e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ew i n d t u r b i n ee q u i p m e n ti n d u s t r y t h e r e f o r e ，i nt h ed e s i g no fw i n dt u r b i n er e s e a r c h p r o c e s s ，t h ev a r i o u ss y s t e m sa n dc o m p o n e n t sw e r es u b j e c tt ot h es t a t i ca n d d y n a m i cl o a da n a l y s i s ，s t r e n g t ha n a l y s i s ，s t r u c t u r a la n a l y s i so fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n ds t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i st oe n s u r et h a tt h ef a np e r f o r m sa s d e s i g n e dd u r i n gt h en o r m a ll i f eo fo p e r a t i o n t h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a a n x ip r o v i n c ea n ds h a a n x i p r o v i n c i a ld e p a r t m e n to fe d u c a t i o nf u n d e dt h i sp r o je c t 晰lt h ec h a n g x i n g g r o u p t h e2 m w 、i n dt u r b i n ed r i v es y s t e mw a ss t u d i e d a ni n - d e p t ha n a l y s i so f i t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e sw a sd o n et op r o v i d eat e c h n i c a lb a s i sa n dt h e o r e t i c a l b a s i s ，f o rt h ef a n - m a d eg e a rs y s t e md e s i g na n dp r o d u c t i o n al i f e s p a np r e d i c t i o n w a sa l s od o n ef o rt h eg e a rs y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i s s p e c i f i cs t u d i e si n c l u d e ： u s i n gp 加t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g s o f t w a r et ob u i l dat h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h e2 m ww i n dt u r b i n e s ，t oc l e a r l ys h o wi t si n t e r n a l s t r u c t u r ea n d r e l a t i o n s h i pa m o n gt h em o v e m e n t n e x t ，i nt h e o r yv e r i f i c a t i o nv i c et e e t hm e s h i n gg e a rs y s t e ms t a t i cs t r e n g t h ， f a t i g u es t r e n g t hc a l c u l a t i o n sw e r ed o n ef o rt o o t hb e n d i n ga n dc o n t a c tf a t i g u e s t r e n g t h ，t oc h e c kt h es t r e n g t ho ft h eg e a rs y s t e m st e e t h t h e n ，b a s e do nt h ed y n a m i c so fg e a rs y s t e m ，ad y n a m i cm o d e lo ft h ef a n g e a rs y s t e mw a se s t a b l i s h e d m a t l a bs o f t w a r ew a su s e dt oc a l c u l a t et h eg e a r s y s t e mn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d e s f i n a l l y , t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fah i g l l 1 e v e ls o f t w a r ew a su s e dt o a n a l y z et h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e a r b o xa n dv e r i 母i t sr e l i a b i l i t y 1 1 i k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n e ，g e a rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，d y n a m i c s ，n a t u r a l m o d e ，f i n i t ee l e m e n t i v 符号说明 行星轮个数( 3 ) s 、c 、r 、p 分别表示中心轮、行星架、内齿轮、行星轮 4 、5 、6 、7 分别表示二级平行轴轮系中的齿轮4 、齿轮5 、齿轮6 、齿轮7 r j 各齿轮的基圆半径，以及行星架上行星轮分布圆周半径产s 、c 、r 、1 、2 7 锄各构件的节圆半径产s 、r 、l 、2 7 纨行星架的转速 簖各构件在x 轴方向上的位移 = s 、c 、r 、1 、2 7 乃各构件在y 轴方向上的位移产s 、c 、r 、1 、2 7 勿各构件在z 轴方向上的位移户s 、c 、r 、1 、2 7 坳各构件绕z 轴的角位移与其半径的乘积：旷e r j产s 、c 、r 、l 、2 7 朋，各构件的质量，_ s 、c 、r 、l 、2 7 易各构件绕z 轴转动的转动惯量，_ s 、c 、r 、1 、2 7 白，c j 各构件支承轴承的径向( x 向和y 向) 支承刚度和阻尼产s 、c 、r 、1 、2 7 ，c 名各构件支承轴承的轴向支承刚度和阻尼产s 、c 、r 、1 、2 7 ，劬各构件绕z 轴扭转时的扭转刚度和阻尼产s 、c 、r 、1 、2 7 ，s 啮合副的啮合刚度和阻尼，z = 1 、2 、3 ，c 二r - n 啮合副的啮合刚度和阻尼垆1 、2 、3 ，c 么平行轴轮系4 - 5 啮合副的啮合刚度和阻尼 拓7 ，g 7 平行轴轮系6 7 啮合副的啮合刚度和阻尼 仅斜齿轮端面压力角 a 血，a 妒s - p 啮合副和r - p 啮合副的端面啮合角 a 盯、a 6 74 5 啮合副和6 7 啮合副的端面啮合角 侈各斜齿轮的螺旋角 行星轮行的位置相角 v m w 级风力发电机传动系统动力学分析与研究 1 绪论 1 1 本文研究的背景和意义 如今全球能源供应紧张，环境问题日益突出。能源和环境成为了人类生存和发展要 迫切解决的两大难题。而能源是现代社会建设和发展的基础，目前我们使用的能源主要 分为常规能源和新能源两大类：常规能源主要以煤炭、石油、天然气为主，资源储量有 限，且易对环境造成严重的污染；新能源主要包括太阳能、风能、水能、潮汐能、生物 质能等，是对生态环境无害而且取之不尽的可再生能源【1 1 。可再生能源的利用是衡量人 类社会文明进步程度、科学技术发展水平以及一个国家或地区环保能力的重要指标。因 此，通过使用新能源发电代替火力发电来减少二氧化碳排放量已成为全球共识，捌。 近年来，风能作为新能源中极有开发前景、经济可行性高和技术成熟的可再生能源 之一，已经成为了全球能源工业关注的焦点。风能具有储量大、分布广泛、清洁无污染 和可再生等特点，符合人类社会当前可持续发展的要求，越来越受到世界各国和地区的 青睐。全球风能资源蕴藏量巨大，约达2 7 4 亿兆瓦，其中可利用的风能为2 0 0 0 万兆瓦， 比地球上可开发利用的水能总量还要大1 0 倍- 4 1 。风能的利用除了风力提水、风帆助航 外，最有前景的就是风力发电，即利用风力来带动发电机发电。近些年，由于世界风电 产业的迅速发展，已使风力发电成为解决世界能源短缺的重要途径之一【】。 在我国目前已探明的风能理论储量约为3 2 2 6 亿k w ，可开发利用约为2 5 3 亿k w ， 近海可利用的风能约7 5 亿k w 。有效利用风能资源、积极发展风电产业，已成为我国 实现可持续发展和保护生态环境的基本国策之一【3 】。发展风力发电，不仅有利于改善我 国的能源结构，克服能源紧张，还能帮助缓解甚至消除电力紧张的问题。 风力发电机作为风力发电系统的核心设备，在其国产化进程中，其设计制造技术问 题已成为了制约风电设备行业发展的瓶颈。当前使用的大型风力发电机组多为水平轴风 力发电机，它由风轮、增速齿轮系统、发电机、偏航装置、控制系统以及塔架等部件组 成。由于大型水平轴风力发电机组工作环境以及条件的特殊性，通常要求风机要有2 0 年的使用寿命。但是，风机常年运行在比较恶劣的自然环境中，所受载荷情况相当复杂， 机组的各个部分随时都可能出现故障。因此，在风力发电机组的设计研究过程中，要对 各系统及其零部件进行静态和动态的载荷分析、强度分析、结构力学特性分析、稳定性 与可靠性分析等，以确保风机在其设计寿命内能够正常运行，从而可提高经济性1 6 , 7 5 1 。 传动系统作为风力发电机的重要组成部分，在整个风力发电系统中起着举足轻重的 作用。近年来随着风电机组单机容量增大以及风电机组投行时间的逐渐累积，由齿轮箱 故障引起的停机事件时有发生，由此带来的损失也越来越大，维护人员投入的工作量也 陕西科技大学硕士学位论文 日趋上升嘲。这就促使越来越多的风电场开始加强齿轮传动系统的日常监测和定期保养 工作，使得投入的人力、物力逐渐增加，降低了风力发电的经济性。 正是基于上述背景，本课题在陕西省自然基金( 2 0 1 0 m 7 0 1 7 ) 和陕西省教育厅项目 ( 2 0 l o 心1 8 ) 的资助下，通过与山东长星集团的合作，对长星集团制造的2 m w 风力发 电机组的传动系统的动力学特性进行了深入的分析与研究。 1 2 国内外风电产业发展现状 在众多新型可再生能源中，风能分布范围广泛，风力发电技术比较成熟而且成本相 对较低，最具有大规模开发和商业化发展前景。因此，风力发电在改善能源结构以及节 能减排方面的作用受到了世界各地越来越多的关注，目前已成为了国际上可再生能源领 域发展最快的清洁能源 9 1 。 1 2 1 国际风电产业发展状况 在过去的5 年问，风电产业发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界 增长最快能源的地位。据全球风能理事会( g w e c ) 统计资料，2 0 0 7 年全球新增风电装 机容量2 0 0 0 万k w ，分布在全球7 0 多个国家和地区，其中，排在前三位的是美国( 5 2 0 万k w ) 、西班牙( 3 5 0 万k w ) 、中国( 3 3 0 万k w ) 。2 0 0 8 年，风电成为非水电可再生 能源中第一个全球装机超过1 亿k w 的电力资源。2 0 0 9 年全球有超过3 8 1 0 3 万k w 的 新增装机容量并入电网，营业总额达到5 0 0 亿欧元。截至2 0 0 9 年底，全世界风电累计装 机总容量约为1 6 亿k w ，同比上年增长3 1 。在欧洲和美国，从新增装机容量的角度， 近几年风电仅次于天然气发电。以欧美等发达国家为代表，全球风电呈现出规模化的发 展态势。据g w e c 预测，未来五年，全球风电仍将保持2 0 以上增长速度，到2 0 1 2 年， 全球风电装机容量将达到2 4 亿k w ，年发电5 0 0 0 亿k w h ，风电约占全球电力供应的 3 。据国际能源署( i e a ) 2 0 0 8 年颁布的( 2 0 5 0 年能源技术情景判断，2 0 1 0 2 0 5 0 年，全球风电平均每年增加7 0 0 0 万k w ，风电将成为一个庞大的新兴电力市场 4 j o 。在 美国风能协会( 简称a w e a ) 发布的2 0 0 9 年年报中指出：美国已完成风电投资2 1 0 亿 美元，2 0 0 8 年美国新增装机容量达到9 9 2 2 万k w ，占到新增装机总量的3 9 ，累计装 机容量突破3 5 0 0 万k w ，平均单机规模从2 0 0 0 年的o 8 8 m w 上升至1 7 4 m w 。目前全 美共有2 0 0 多个风能发电设施，足以向2 4 0 万家庭提供生活用电 1 0 1 。 在发展如此迅速的风电市场中，国际风电产业呈现出了如下的发展趋势【5 i o , n l ： ( 1 ) 产业集中是总的趁势，2 0 0 9 年，世界排名前十位的风电机组制造企业占据了全 球7 8 7 的市场份额，世界排名前十五位的风电机组制造企业占据了全球8 8 1 的市场 份额，世界风电机组制造企业形成了由十多家大型风电机组制造企业控制或垄断的局面； ( 2 ) 水平轴风电机组技术成为主流，水平轴风电机组技术，因其具有风能转换效率 2 m w 级风力发电机传动系统动力学分析与研究 高、转轴较短，在大型风电机组上更显出经济性等优点，使水平轴风电机组成为世界风 电发展的主流机型，并占到9 5 以上的市场份额。 ( 3 ) 风电机组单机容量持续增大，市场上的主流机型已经从2 0 0 0 年的5 0 0 - 1 0 0 0 k w 增加到2 0 0 7 年的2 - 5 m w ； ( 4 ) 变桨距功率调节方式由于载荷控制平稳、安全和高效等优点得到迅猛发展，在 大型风电机组上得到广泛采用； ( 5 ) 风能的大规模开发今后将更多依赖于规模化、系列化和标准化，以降低成本提 高效益； ( 6 ) 随着关键技术和装备的逐渐成熟，海上风电开发将是未来发展的一个重要方向， 兆瓦级海上风电机组的商业化已经成为世界风能利用的新趋势。 1 2 2 我国风电产业发展状况 受世界风电产业的快速增长的影响，我国风电产业也得到了长足的发展。我国风力 发电并网始于1 9 9 0 年，到2 0 0 4 年底，全国的风力发电装机容量约有7 6 4 万k w ；2 0 0 5 年2 月可再生能源法颁布之后，当年风电新增装机容量超过6 0 ，总容量达到了1 2 6 万k w ；2 0 0 6 年新增装机容量超过1 0 0 ，累计装机容量超过2 5 9 7 万k w ；国家提出的 2 0 1 0 年完成5 0 0 万k w 的目标已提前3 年于2 0 0 7 年实现；2 0 1 0 年，我国新增风电装机 容量1 6 0 0 万l 州；截至去年年底，我国累计风电装机总量已达到4 1 8 2 7 万k w ，首次 超过美国，位居世界首位【s 】。近几年，经济性已经不是制约我国风电行业发展的瓶颈， 根据相关方面初步提出的规划，到“十二五 末，中国的电力市场应具备容纳9 0 0 0 万 l 亿k w 左右风电的能力，而2 0 1 5 年之后，中国风电市场也仍将保持较快增长速度【l 9 , 1 0 , 1 1 。 在国家政策扶持和市场拉动下，我国风电产业呈现出了百花齐放、百舸争流的繁荣 景象。一大批有实力的企业纷纷涉足，国外跨国公司也积极在国内组建生产企业。近几 年，国内迅速崛起的金风、华锐、东汽、广东明阳、湖南湘电、浙江运达等风电设备制 造企业，通过对国外风电技术的吸收再创新，形成了较大的生产规模，成为了我国风电 产业的中坚力量 1 2 1 3 。国产风电装备的技术水平和质量都有了很大的提高，产能也得到了 极大的提升。目前，我国已有7 5 家企业从事风力发电整机制造，其中已有3 0 家企业研 制出兆瓦级风电机组样机，1 8 家企业实现了批量生产。关键零部件制造也得到快速发展， 叶片制造企业已经超过4 5 家，齿轮箱制造企业达到2 5 家，发电机制造企业达到1 4 家， 变流器制造企业6 家，轴承制造企业达到2 0 家，风电设备供应链已趋于完善【，如，1 4 j 。 尽管如此，由于风电设备的设计研发以及生产制造是一项跨学科、跨领域、跨部门 的系统工程，加上国内在相关领域基础薄弱，我国风电产业的自主发展也存在基础技术 研究和自主创新实力匮乏、产业化程度低等问题，还远远达不到国际风电产业发展的要 求，因此加快自主风电产业的建设是当前和未来一段时期风电行业发展的核心任务。我 陕西科技大学硕士学位论文 国风电产业目前的主要特点有i o 1 1 ： ( 1 ) 虽然我国风电产业呈现迅猛发展的势头，但由于涉足时间比较短，大多数企业 的产业化程度仍比较低。即使是国内领先的风电机组企业，其总体产业规模相对来说仍 然比较小，风电装备产业整体竞争实力距离世界先进水平还有较大差距。 ( 2 ) 在国家政策以及各级政府科研项目的支持下，经过企业、高校和科研单位的共 同努力，我国风电产业的技术水平已经有了大幅的提高，风电整机、叶片、齿轮箱和发 电机等领域的产业规模和技术水平基本能够满足我国市场的需要：但在偏航轴承、变桨 电机、主轴、电控系统和变流器等一些关键零部件领域，技术和规模还远远不能满足我 国风电产业发展的要求，仍要依赖进口。这对国内风电产业的整体效益和健康发展产生 非常不利的影响。 ( 3 ) 目前国内风力发电装备企业的技术( 特别是关键核心技术) 绝大多数是通过引 进、许可证以及联合开发等形式获得，大多没有完全自主的知识产权，国内企业基本不 具备自主设计、自主开发的实力。自主设计技术的缺失，使得我国的风电产业存在“空 心化 的危险。我国风电产业今后在技术竞争、市场开拓、提高经济效益等方面仍面临 巨大的竞争压力和挑战。 1 3 风力发电机的齿轮传动系统简介 风力发电机在工作时，由风能带动叶轮产生的机械能是通过传动系统传递给发电机。 对于本文研究的风机，其传动系统的关键是一级行星二级平行轴结构的增速齿轮系统， 它是整套装置中最重要的一个机械组成部分，其主要作用是将风轮在风力作用下所产生 的低转速增大，得到与发电机相应的转速，从而使发电机正常工作。风力驱动的叶轮扭 矩大、转速低，可供发电的转速范围为1 l 1 8 r p m ，经过齿轮增速系统可转换为高转速 ( 1 0 0 0 - 2 0 0 0 r m p ) 、低转矩的动力，从而驱动发电机转子转动【7 i 6 l 。 由于风力发电机组工作环境的特殊性，其齿轮传动系统与普通的齿轮系统相比就有 其特有的要求：由于风力机通常工作在无人值守的野外，加之考虑其维护与维修的难度 以及经济效益等因素，每台风机的设计寿命均要求在2 0 年以上。因为风机要在野外或海 上工作，所以还要能够经受住各种极端恶劣天气的影响，风向或着风速发生无规律突变 带来的载荷冲击【6 ，7 气1 5 】。 据统计，风机齿轮系统的损坏在风电机组运行出现的故障中占了很大比重，有的风 场齿轮系统损坏率高达4 0 - 5 0 。丹麦曾发生过在全世界几千台齿轮箱因质量问题被迫 更换的事件。而我国由于没有丰富实践经验的积累，产品质量难以保证，进口设备在我 国气候条件下也出现不适应以及大量损坏部件得不到及时维修的问题。由于机组安装在 荒野的风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受极端温 4 m w 级风力发电机传动系统动力学分析与研究 差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故 障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如 对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应具有低温状态下抗冷脆性等特性； 应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件等。因此，对齿轮系统 的设计提出了更高的要求，维护保养的工作也就显得更为重要【6 i 。 1 4 国内外齿轮系统研究状况 1 4 1 国内研究现状 近年来，有不少科研单位在风力机传动系统动力学性能方面的研究做出了贡献。重 庆大学的古西国采用集中质量法建立了传动系统的动力学模型，推导出了齿轮系统的扭 转振动微分方程 ，7 1 ；周海建利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，同时结合误差近似等效方法模拟了齿轮啮合时的内部激励，并对齿 轮传动系统进行了动力响应优化设计嗍。重庆大学机械传动国家重点实验室 s j g , 2 0 ) 研究了 增速齿轮箱的固有特性、齿轮箱系统在动态激励下的响应、斜齿轮传动系统( 斜齿轮、 轴与轴承) 的弯曲扭转轴向扭摆耦合振动、传动系统接触齿数及载荷分配等，并对增 速箱内部动态激励及系统振动响应作了数值仿真。另外，同济大学赵先民利用有限元软 件，建立起风力机叶片和整机的有限元计算模型并进行了动力特性的分析【2 l 】。上海应用 技术学院机械系等单位研究了载荷对齿轮振动的影响【翠】。此外，西安建筑科技大学的孙 红岩嗍，根据有限元法对机械转子系统动力学分析的思路与结果，对本课题也具有一定 的理论指导作用。 1 4 2 国外研究状况 对于齿轮传动系统而言，由于风电机组朝着大型化方向发展，国际上1 m w 以上的 大型风力发电机组有的采用直驱方式，有的正研究复合齿轮传动的双馈式变速风力发电 技术，还有的则朝着改进传动结构的方向努力。如英国a a d 控制有限公司于2 0 0 6 年1 0 月获得了荷兰鹿特丹海岸附近1 兆瓦风力发电机塔架的摆动阻尼实验的成功，这为传动 系统的动态研究提供了借鉴；美国g e 能源公司研制的3 6 m w 海上风力发电机组采用三 级复合齿轮传动，已进入商业化阶段；丹麦v e s t a s 公司研制的3 m w 风力发电机组采用 行星螺旋复合齿轮传动，也已进入商业化产出嘲。 为了适应风机设备制造行业的快速发展，尤其是对风机中的齿轮传动系统，需要有 相关的行业标准来进行约束和指导。为此美国风能协会( a w e a ) 和齿轮协会( a g m a ) 于 2 0 0 3 年1 0 月制定了新的风力机齿轮箱标准a n s f a g m a a w e a 6 0 0 6 一a 0 3 ( 以下简称 6 0 0 6 标准) ，该标准对4 0 k w , - 2 m w 的风力发电齿轮箱的设计、制造、使用等作了详尽 的规定嗍。6 0 0 6 标准已被世界上许多国家采用，是风力发电齿轮箱技术领域影响最大的 陕西科技大学硕士学位论文 一个标准。国际标准化组织2 0 0 5 年采用快速程序，直接采用该标准作为国际标准， 即：1 5 0 8 1 4 0 州：2 0 0 5 t 2 7 】。 在齿轮系统动力特性研究方面，n e r i y a t n j j 通过有限元法解决齿轮传动系统的弯曲一 扭转耦合振动问题，分析了在常刚度下线性系统的固有特性、质量不平衡和几何偏心引 起的受迫振动响应以及无阻尼和模态阻尼下的齿面动载荷。n e r i y a 【2 9 】考虑轴和轴承的刚 度建立了八自由度的弯曲一扭转一轴向一摆动振动耦合的斜齿轮传动副的动力学分析模 型，求解了静态传动误差作用下的系统动态响应。c e n t e a 等人0 0 利用非线性多体动力学 理论对车辆离合器的的扭振进行分析。z o u 等人【3 l 】利用有限元法与模态综合法相结合， 研究了多分叉轴系的扭振问题。c r o w t h e r 等人1 3 2 建立了单支、分支、齿轮啮合扭转有限 元单元，利用有限元法对齿轮传动系的自由振动和瞬态响应进行了分析。r j 1 a n n u z z c u i k 3 ，】 在研究压缩机组中的齿轮转子系统时发现，所测得的固有频率只能用齿轮系统的弯扭祸 合理论来验证。t a k u z o l w a t s u k o 用传递矩阵法研究了滑动轴承支承的齿轮轴系，比较了 弯扭耦合和不耦合的情况下系统的特征值和不平衡响应，得出的主要结论为：弯扭祸合将 产生新的特征值，扭转振动和弯曲振动相互影响【，4 】。这说明弯曲振动和扭转振动除了具 有各自的固有振动特性外，两者还存在一定程度的耦合嗍。此外还有t o r d i o n 嗍、k u b o t 3 n 、 u m e z a w a t 3 s j 等，他们在齿轮系统动态特性研究方面留下了许多有参考价值的文献。 1 5 本文的研究内容 在目前国内外齿轮系统动力学研究现状的基础上，本文以2 m w 风力发电机组的齿 轮传动系统为研究对象，依据齿轮系统动力学分析并建立了其动力学模型，通过计算得 出其固有频率与振型。另外，还利用有限元方法分析了高速级齿轮箱的固有特性。具体 内容包括以下几个方面： ( 1 ) 运用p r o e 三维建模软件，建立了2 m w 风力发电机组齿轮传动系统的三维实 体模型，从而可以清楚地展示其内部结构和相互间的运动关系。 ( 2 ) 从理论上验证齿轮系统各啮合副轮齿的静强度，计算轮齿的弯曲疲劳强度和接 触疲劳强度，从而校核该齿轮系统的轮齿强度的安全性。 ( 3 ) 在齿轮系统动力学的基础上，依据达朗贝尔原理建立该风机齿轮系统的动力学 模型。然后，使用m a u a b 软件计算该齿轮系统的固有频率和振型。根据计算结果分析该 齿轮系统工作时的振动情况。 ( 4 ) 依据有限元理论，利用有限元软件分析高速级齿轮箱的固有特性，从而验证其 工作的可靠性与安全性。 6 m w 级风力发电机传动系统动力学分析与研究 2 风机齿轮系统模型的建立与静力学分析 2 1 风力发电机原理与结构 风力发电机是将风能转化为电能的机械装置。在这个能量转换过程中，首先风机将 风能转化成机械能，然后发电机又将机械能转化为电能。因此，从能两转换角度看，风 力发电机由风力机和发电机两部分组成 s 3 9 。本文主要研究的是风力机部分。 现代的风力发电机主要有以下两种结构随 9 1 ：水平轴风力发电机( 图2 1 a ) 和垂直 轴风力发电机( 图2 1 b ) 。在垂直轴风力发电机中，转轴安装在垂直轴上，与地面垂直。 与水平轴式的同类产品不同，垂直轴风力发电机始终与风向保持一致，因此当风向改变 时无需调整；。它通常使用拉索而不是塔架进行支撑，因此转子高度较低。较低的高度意 味着风速因地面阻碍而较慢，所以垂直轴风力发电机的效率通常要比水平轴风力发电机 低。虽然垂直轴风力发电机可以用于小型风力发电机，也可以用于在偏远地区泵水，但 所有商业生产的大规模风力发电机都是水平轴风力发电机。 a ) 水平轴风力发电机 a ) h o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n e b ) 垂直轴风力发电机 b ) v e f t i c a ia x i sw i n dt u r b i n e s 图2 - 1 两种常见的风机结构 f i g 2 - 1t h ef a ns t r u c r l r eo f t w oc o m m o n 水平轴风力发电机，顾名思义其转轴是水平安装的，与地面平行。它主要由风轮、 增速箱、发电机、机舱、偏航系统、控制系统以及塔架等部件组成。风轮的作用是将风 7 陕西科技大学硕士学位论文 能转换为机械能，它是由具有十分优异的气动性能的叶片( 一般为2 3 个叶片) 装在轮 毂上组成的，风轮转动产生的转矩通过传动系统传递给发电机【例。上述这些部件都安装 在机舱平面上，整个机舱由塔架举起至风机所能捕获最多风能的高度。由于风向经常变 化，为了有效地利用风能，还必须要有迎风装置，根据风向传感器测得的风向信号，由 控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终处于迎风方 向0 9 。 本文所研究的风机正是上述的水平轴风力发电机，其主要零部件如图2 - 2 所示，现 对各部件的作用及功能详述如下 4 0 1 转子叶片一捕获风能并将其转换为转轴的转动能； 转轴将转动能转移到发电机内； 增速箱一用于增加转子中心和发电机之间的转轴速度； 发电机将机械能转化为电能； 电子控制装置监视系统，用于在出现故障时关闭涡轮和控制偏航装置； 偏航控制器一移动转子使其与风向保持一致； 制动装置一在出现极端风况、电力超载或系统故障时使转轴停止转动； 塔架一支撑转子和发动机箱，并将整个装置上升到更高位置，使叶片不会碰到地面， 并且获得足够的风能； 电力设备一从发电机向下通过塔架输送电流，还可控制涡轮机的多个安全部件； l叶片 2蛐 3 机艟内柑3 曼 t 叶轮轴与主轴连接 s主轴 6齿轮箝 t剃车盘 8 发电机的连接 g发电机 l o 散热量 l l冷却风囊 1 2 风翻量系统 1 3控豺系统 l 藏压系绕 i s 循航 瞌b 埔僖航轴承 l t 机髓 1 8聩 垮莱叶连接 图2 2 水平轴风力发电机结构 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f h o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n e s 囝 m w 级风力发电机传动系统动力学分析与研究 2 2 风力发电机增速传动方案的选定 风力发电机所采用的齿轮箱一般都是增速的，通常风轮的转速很低 ( 1 0 r m m o r m i n ) , 远达不到发电机发电所要求的转速，因此必须通过齿轮系统来实现 增速，故也称齿轮箱为增速箱。它大致可以分为两类【柏】，即定轴线齿轮传动和行星齿轮 传动。定轴线齿轮传动结构简单，维护容易，造价低廉。行星齿轮传动具有传动比大， 体积小，质量小，承载能力大、工作平稳和在某些情况下效率高等优点，缺点是结构相 对复杂，造价较高。经过长期的实践积累，提出了以下几种增速方案：三级定轴线齿轮 传动( 图2 3 a ) 、二级行星齿轮传动( 图2 - 3 b ) 、一级行星齿轮传动加两级定轴线齿轮传 动( 图2 3 e ) 。 a ) 方案一 a ) o p t i o n o n e w i - i _一。 _ b ) 方案二 b ) o p t i o nt w o c ) 方案三 c ) o p t i o nt h r e e 图2 - 3 风机几种不同的增速方案 f i g 2 - 3g r o w t ho fs e v e r a ld i f f e r e n tp r o g r a m sf a n s 经过比较发现 4 1 , 4 2 , 4 3 ，方案一结构简单，但对于给定的设计参数，可能设计出来的几 何尺寸过大，传递的转矩较小，满足不了大功率、大转矩的传动系统的要求，而且平稳 性不好，有较大的冲击；方案二结构紧凑，但由于行星齿轮传动内部结构复杂，造价昂 贵，用两级行星齿轮传动不太经济适用：方案三中兼有定轴线齿轮传动结构简单，和行 星轮传动的传动比大、工作平稳等优点，它通过一级的行星齿轮传动把大转矩降下来， 再用两级结构相对简单的平行轴齿轮传动，既经济又实用。缺点体积和质量还是比较大， 但这是现在大型风力发电机组技术中所不可避免的。因此，本文所研究的风机齿轮传动 系统采用了上述方案三的传动结构1 1 6 , 4 0 。 2 3 风力发电机齿轮系统三维模型的建立 根据上述选定的方案，设计出相应的增速齿轮传动系统。设计过程以及最终设计出 的各构件相关参数由山东长星集团提供，本文根据所提供的数据嗍( 表2 一1 ) ，通过p r o e 软件来建立该齿轮系统的三维模型。 p r o e n g i n e e r t o j ( 简称p r o e ) 是由美国p t c 公司推出的一套功能强大的c a d c a m 三维 9 陕西科技大学硕士学位论文 参数化软件系统。其内容涵盖了从产品设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、 动态仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程，其中还包括了电缆及管道布线、 模具设计等工程应用模块，应用范围涉及航空航天、机械、汽车、数控加工、电子等诸 多领域。进入2 1 世纪以来，我国c a d 应用进一步深化的显著特征是由二维设计转向三 维设计。尤其是我国加入w t o 后，一场新的工业设计领域的技术革命已悄然兴起，作 为提高生产效率和竞争力的有效手段，p r o e 也在国内得到了广泛的应用。本文正是通过 p r o e 来完成该风机齿轮系统的三维实体建模的 4 s , 撕4 y l 。各中心轮轴、输出轴及整体装配 模型如图2 - 4 。 表2 - 1 齿轮系统各齿轮主要结构参数 t a b l e2 - lt h em a i ns t r u c t u r eo f t h eg e a rs y s t e mp a r a m e t e r s 中心轮s 行星轮p 内齿轮r斜齿轮4斜齿轮5斜齿轮6斜齿轮7 模数i i l n 1 6m m1 4 u n8m m 齿数z 2 13 59 19 02 11 0 32 5 螺旋角b 1 0 0 6 。1 3 7 7 01 2 7 8 。 2 4 风机齿轮系统的强度计算与分析 2 4 1 行星轮系齿轮强度的计算 a ) 齿面接触疲劳强度校核计算 行星轮系齿轮接触疲劳强度的计算公式 4 8 1 如式2 1 式2 - 4 ： 接触应力： o h2 0 h q 3 k a k y k 国k h 4 k 噼 齿面接触应力的基本值： 齿面接触应力的基本值： 几r i 玎 o h 。嘞嘞q 。z p 荔了 许用接触应力： o h p = 警气- 匆磊知五 u 鼢 强度条件：应满足o + 1 9 , v p 1 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) m w 级风力发电机传动系统动力学分析与研究 a ) 中心轮轴 a ) c e n t e ro f a x l e c ) 行星轮系 c ) p l a n e t a r yg e a r b ) 输出轴 b ) o u t p u ts h a l r d ) 整体齿轮系统 d ) t h ew h o l eg e a rs y s t e m e ) 增速箱整体效果图f ) 增速箱爆炸图 e ) t h eo v e r a l le f f e c to f t h eg r o w t hr a t eb o xm a p f ) g r o w t hr a t eo f c o n t a i n e re x p l o d e d 图2 - 4 传动系统主要零部件及装配模型 f i g 2 _ 4m a i nc o m p o n e n t sa n da s s e m b l ym o d e lt r a n s m i s s i o n 陕西科技大学硕士学位论文 式中： 肠一使用系数； 胪动载系数； 驴接触强度的齿向载荷分布系数：酶矿1 + ( k h p o - 1 ) k h o j k h e ； 轩未跑合齿向载荷分布系数； 驴计算接触强度的跑合影响系数； 驴与均载机构有关的系数； 驴接触强度的齿间载荷分布系数； 一接触强度计算的行星轮间载荷分配不均衡系数； z ：r 节点区域系数； z r 一材料弹性系数； z 广接触强度计算重合度系数； 矿接触强度计算螺旋角系数； 嘲蹦一疲劳极限； z r 厂接触强度计算的寿命系数； 厂安全系数； 钇一润滑剂系数； z 穗度系数； z r 粗糙度系数； z 。，一工作硬化系数； 张触强度的尺寸系数。 对齿轮副s - p ，根据上述参考资料，可得：f r = 4 5 2 9 9 1 n ，k a - - 1 2 5 ，k r = i 0 1 ，k h p o = 1 6 ， k h o , = o 8 ，k 1 - 1 。= 0 7 ，局矿1 3 3 6 ，为扩1 1 ，慰旷1 0 5 ，z - = 2 2 4 ，z e = 1 8 9 8 ，z c - 0 7 2 ，2 即9 9 5 ， 巧咖晰1 6 5 0 a ，z m = 1 0 ，s h = b l = 1 1 2 ，z l = i 0 4 ，z r = 0 9 4 ，z s = 1 0 8 ，知= 0 9 8 ，驴1 0 。 将这些参数代入式2 1 式2 4 ，计算可得：a n - = 1 3 8 5 5 m p a ，a n p f = a h p p = 1 5 2 3 4 m p a 。由此 可看出：o i t 9 h p s ，t t l - 1 9 h p p 。所以齿轮副s p 的接触疲劳强度是安全的。 对齿轮副r - p ，根据上述参考资料，可得：f t = 4 5 2 9 9 1 n ，k h p o - = 1 3 5 ，删8 ，k h ：= o 7 ， 硒严1 2 ，z = 2 2 2 ，z i - - - 0 9 6 ，巧稍o o m p a ，z r = o 9 2 ，驴1 1 ；其余参数与齿轮副s p 相同。将这些参数代入式2 1 一式2 4 ，计算可得：a t i = 7 5 2 4 m p a ，f f n p r = 8 1 8 4 m p a 。由此 可看出：a t - t 蜜h t , , ，鲴9 嘞。所以齿轮副r - p 的接触疲劳强度是安全的。 b ) 轮齿弯曲疲劳强度校核计算 行星轮系齿轮弯曲疲劳强度的计算公式如式t 4 r 2 5 一式2 8 ： 齿根弯曲应力： 1 2 m w 级风力发电机传动系统动力学分析与研究 c r y = o f o k 蠢k y k f b k 阮k f p ( 2 5 、) 齿根弯曲应力基本值： f =