风电机组齿轮箱固有频率啮合频率共振Romax震动性分析报告.doc

风电机组齿轮箱固有频率啮合频率共振Romax震动性分析报告第1章 绪论1.1 选题背景和意义在人类越来越渴望清洁能源和环保能源的大时代背景下，风电作为一种新兴的清洁能源，受到全世界人类的广泛关注。美国，德国，日本等国家都在积极地研究风电这一清洁、高效的发电方式。在中国，风电也在蓬勃发展，金风，华锐，明阳这些企业已经走在了科研的前列，而东方汽轮机厂，华能也新建了风电厂。从九十年代到2007年，我国风电机组装机总容量已超过560万kW，风电机组共计6469台，分布在全国22个省、市和自治区。目前已装机的风电机组中，大部分采用的是水平轴结构，并采用齿轮箱作为风轮与发电机之间的传动部件。齿轮箱负责将风轮叶片的低转速转换为发电机所需要的高转速，实现能量与扭矩的高效传输。因此，齿轮箱是风电机组中最重要的传动部件。 风电齿轮箱具有质量大、重心高等特点，随着风电机组装机容量的不断增大，轮毂高度逐渐增加，齿轮箱受力变得复杂化，这就造成有些齿轮箱可能在设计上存在缺陷。一般风电机组都安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，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。由于齿轮箱长期处于这样的恶劣条件下，会出现粘附磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、微动磨损和气蚀等失效形式，轻则导致润滑油失效，重则轴、轴承、轮齿的断裂，导致风电机组的停机5。在变速变载这样的情况下，还会出现轮齿折断、齿面点蚀等的情况。根据国际上有关机构对25台实际运行机组在3个月时间段的故障统计，机组各部件故障造成发电量损失见图1，齿轮箱是风电机组中故障率最高的部件，其主要失效形式为轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形6。图1-1 风电机组故障所造成的发电量损失估计上述齿轮箱失效形式主要由风电机组所承受的变速、变载的复杂作用力引起，其故障特点皆可通过齿轮箱的振动信息表征出来。因此，分析大型风电机组齿轮箱的振动特点，对于判断零件的失效原因，明确故障部位，并对齿轮箱进行优化设计具有指导意义。1.2国内外研究现状1.2.1 国外研究现状由于人类认识到风能是清洁、可再生能源，因此世界的风力发电工业正以不同的方式提高风力发电的经济性，各国的公司也都在想方设法提高现有的技术水平，选择最优秀的设计方案。对振动特性的研究和应用，美国、德国已经走在了世界的前列。 在国外，已经把齿轮的振动和噪声问题作为评价一个齿轮装置好坏的重要因素7。齿轮的振动和噪声问题这个问题引起了世界范围内的广泛关注。而对齿轮箱的振动模型的建立及其仿真系统已经在德、美这些发达国家中指导并应用在风力的发电当中了，对于齿轮箱的固有频率和啮合频率的研究已经处于世界前沿，使用了如有限元法、使用计算机软件等有效的手段，对影响齿轮箱振动的因素分析比较透彻，并能有效地减小这些影响因素，从而为风电机组齿轮箱的故障分析和判断提供了非常好的平台。1.2.2 国内研究现状国内由于风力发电机行业本身起步较晚，很多风电技术还不成熟，处于探索阶段。对于齿轮箱振动特性的分析还处于起步状态，在国内风力发电机上的运用还比较少。目前我国还没有相关的振动标准，对整个齿轮箱系统模型进行了模态分析和动态响应分析，得出了齿轮箱的固有特性和箱体表面的振动响应曲线，而对成果的检验和应用还没有完善的技术。 但是我们国家已经有企业致力于这方面的研究，通过建立各种模型，对轮齿进行受力分析，在变速变载的情况下研究振动特性，分析各种型号的固有频率、啮合频率等等已经有了很大的进步了.我国很多企业引进国外成熟技术，吸收消化，以提高国产化机组的制造技术。采用与国外公司合作生产的方式引进技术，并允许国外风电机组制造厂商在我国投资设厂。国内有关的风电机组制造、生产企业，已研制出、15Mw机组的关键部件，如齿轮箱和叶片等，并且750Kw的机组其本地化率已达到90,还有如江苏千鹏公司，建立了该齿轮箱的直齿圆柱齿轮三维接触有限元模型和整个齿轮箱系统有限元模型，对直齿圆柱齿轮进行了接触分析，得到了直齿圆柱齿轮的综合啮合刚度激励，同时对整个齿轮箱系统模型进行了模态分析和动态响应分析，得出了齿轮箱的固有特性和箱体表面的振动响应曲线。通过齿轮箱声压和声强实验，预测了该齿轮箱噪声值，且验证了有限元分析的有效性和准确性。而在应用这方面国家也正在不遗余力地研究，相信在十年之内，我国的风电技术会引领世界8。1.3 本文工作齿轮箱是风电机组主传动系统最主要的振动部位，本文对风电机组齿轮箱的振动特性进行深入研究，分析齿轮箱各级齿轮的固有频率与啮合频率之间的关系，主要研究内容如下：(1)分析风电机组齿轮箱的机械结构振动问题作了一些介绍,然后对齿轮箱的重要性,产生故障的原因,故障的类型等等作了一些详尽的阐述。(2)在变速变载的情况下,对机械振动系统特别是固有动态产生比较大的影响.选取了一组风电机组齿轮箱的数据作为参考,作了一些计算,计算了各级轮系的传动比,然后在风轮转速为15，22.34，85，128，306，457六种速度下分别计算了主轴,太阳轮,中间轮,高速轴的转速同步频率；行星级、中间级、高速级的啮合频率及10%的浮动范围。(3)系统学习Romax软件, 并基于该软件建立齿轮箱振动模型。分析变速、变载情况下齿轮箱的各阶振型和固有频率。(4)对齿轮箱的固有频率和啮合频率进行比较分析,得到了共振区,指出在实际应用中应该尽量避开这些共振区。 1.4本章小结本章对风电机组振动特性的选题背景和意义作了一些阐述，并介绍了一些国内外研究现状，然后介绍了本文所要进行的工作，并介绍了主要研究内容。10第2章 风电机组齿轮箱力学特点2.1 前言风电齿轮箱是一个复杂的弹性机械系统。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、制造误差等都对轮齿静动力接触特性、系统动态性能、系统传动精度等有很大影响。齿轮箱同时承受由原动机和负载引入的外部激励和由时变啮合刚度、齿轮传动误差和啮合冲击所引起的内部激励，其振动受轴、齿轮、轴承、等多种振动的影响，具有高度的非线性特点及耦合效应。要综合考虑上述因素，用解析法难以全面描述其动力模型，其求解过程也极为繁杂，用实验方法可以测量系统的模态和响应，但难以直接测量齿轮接触区动态接触特性，也无法在设计阶段预估其动态特性并修改设计加以改善。因此，有必要结合试验分析数据，研究齿轮系统动态特性综合数值分析方法，开发齿轮系统振动冲击数值仿真软件，实现它的动态响应分析9。2.2 风电机组齿轮箱机械结构图2-1 风电齿轮箱机械结构图使用齿轮箱，可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩，转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。风电机上的齿轮箱，通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。对于600千瓦或750千瓦机器，齿轮比大约为1比50。齿轮箱的结构包括输出轴、齿轮箱盖、大齿轮、小齿轮和齿轮箱，所述的齿轮箱内设有至少二个卡位，挡油罩上设有与卡位相对应的定位，挡油罩通过定位设置在齿轮箱的卡位上，齿轮箱盖上设有与挡油罩接合口相匹配的压圈，挡油罩与齿轮箱盖构成小齿轮和大齿轮的传动腔室.齿轮箱以三点支撑,输入为空心轴,采用锁紧盘,联接在主轴上,其余两点通过对称分布于前箱体扭力臂两端上的支座、弹性套联接在机舱底座上。齿轮箱安装在弹性减震器上，扭力臂两端固定方式是上下夹紧，只要用来限制齿轮箱传动部件转动过程中内齿圈啮合力引起的箱体的旋转效应。风电齿轮箱是两级行星齿轮和一级平行轴圆柱齿轮传动。下面是关于齿轮箱的几种方式:齿轮箱输入端的连接有以下几种方式.输入大轴由两轴承单独支撑,齿轮箱通过涨紧套与轴联接,齿轮箱只传递扭矩,不承受弯矩.输入大轴一端由一机舱离得大轴承支撑,另一端支撑在齿轮箱上,齿轮箱通过涨紧套与轴联接,齿轮箱在传递扭矩的同时承受叶片的弯矩.输入大轴与齿轮箱联成一体,输入大轴与叶片轮毂通过法兰连联接,齿轮箱在传递扭矩的同时承受叶片的重力和弯矩.行星架 行星架是行星机构种结构最为复杂的零件,承受力矩最大,通常采用整体双壁式结构。如图 2 所示，1为高速级轴，2为太阳轴上齿轮副大齿轮，3为太阳轴，4为行星轴，5为低速轴小齿轮，6为高速轴小齿轮10。2.3 风电机组齿轮箱外部载荷1）服役条件严酷由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向、变负荷的风力作用及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱在狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上。大量的实践证明，这个环节常是机组中的齿轮箱。2）速差大风力发电机组中的齿轮箱，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。通常风轮的输入转速很低，约20r/min，远达不到发电机转子所要求的15001800r/min的转速，必须通过齿轮多级增速传动来实现。3）可靠性要求高与使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。对构件材料，除了常规状态下力学性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性：对齿轮箱，工作要平稳，防止振动和冲击等。设计中要根据载荷谱进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行动力学分析、极限强度分析、疲劳分析，以及稳定性和变形极限分析。2.4 风电机组齿轮箱内部激励通常，齿轮啮合的动态激励主要是内部激励，本文的研究忽略外部激励的影响，只考虑齿轮啮合时的内部激励。齿轮的内部激励包含三种形式：刚度激励、误差激励和啮合冲击激励。(1)刚度激励一般来说，齿轮轮齿啮合的重合度大多不是整数，啮合过程中同时参与啮合的轮齿对数随时间作周期变化。此外轮齿在从齿根到齿顶啮合的过程中，弹性变形也不相同。这些因素引起了齿轮啮合综合刚度的变化，刚度激励就是指齿轮啮合过程中啮合综合刚度的时变性引起的动态激励。对于斜齿轮传动，由于啮合线是“点一线一点”的变化过程，啮合过程的轮齿交替不是突变的，但啮合过程中轮齿的综合啮合刚度及轮齿载荷也是周期性交化的，同样会引起啮合过程的动态刚度激励。总之，齿轮轮齿综合刚度和轮齿载荷周期性的变化，引起了齿轮传动系统的动态刚度激励。刚度激励反映在系统的分析模型中则是弹性力的时变系数，即刚度激励在性质上是一种参数激励。(2)误差激励由齿轮、轮齿的加工和安装误差引起的齿廓表面相对于理想齿廓位置的偏移。误差激励是啮合轮齿间的一种周期性位移激励。一般将齿轮的误差分为齿距误差和齿形误差的关系，为齿轮设计中精度等级确定和加工方法选择提供指导。(3)啮合冲击激励由于轮齿的受载变形和加工误差，轮齿在进入和退出啮合时，啮入啮出点的位置偏离理论啮合点，产生线外啮合，使啮合齿面间产生冲击，引起齿轮啮合过程中的周期性载荷激励。啮合冲击激励与误差激励的区别在于，前者对系统的激励是一种周期性的冲击力，后者对系统的激励则是一种周期变化的位移。以上三种内部激励是轮齿啮合产生振动噪声的主要来源，值得注意的是，齿轮系统的内部激励的重要特性在于它的周期性，因此特别适宜采用频谱分析方法进行研究。通过静传递误差来描述周期性的内部激励，并将静传递误差函数进行傅里叶变换，进行谱分解，并由此确定影响内部激励的主要因素，以便更有效地采取措施减少内部激励11。2.5 齿轮箱振动机理2.5.1 风电机组振动机理振动问题是风力发电机组的重要问题. 随着机组容量的增加,大型风力发电机组由于结构体积的增大和弹性增加,更加容易引发振动问题,因此机组在设计阶段应该进行机组的固有特性计算、可能会引起的谐振问题的分析和可能引起谐振的运行区域分析,从而避免这些现象. 风轮、塔架、机械传动链的固有频率相互间不能太接近,同时它们和激励源的频率也不可以太接近.大型变速机组的振动问题,主要集中在4 个方面: 风轮的气弹效应; 机械传动链的扭曲振动,可能会受到气动效应和电气特性的激励; 偏航运动引起的振动问题; 风轮塔架耦合的整机振动.这几个振动源会相互影响,相互作用,经常需要综合起来考虑.叶片的气动弹性稳定性问题可分为气动弹性静态稳定性和气动弹性动态稳定性两种. 当风力机叶片旋转不出现振动时,只有弹性力和定常空气动力起作用,所发生的不稳定是气动弹性的静态不稳定,如扭转发散;当风力机叶片旋转出现振动时,振动可能有三种形式: 挥舞方向振动,它是叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动; 摆振方向振动,它是叶片在旋转平面内的弯曲振动; 扭转方向振动,它是绕叶片变距轴的扭转振动. 在空气动力、惯性力和弹性力的耦合作用下,这三种形式的振动还会发生耦合,产生气动弹性的动态不稳定. 一般风力机叶片气动弹性动态不稳定包括挥舞摆振不稳定、扭转摆振不稳定、经典颤振等机组扭曲振动特性一般由下面3 个机械弹性参数决定: 旋转体的转动惯量; 主轴的扭曲刚度; 扭曲阻尼常数.这3 个参数在设计中由驱动链构成部件的材料特性决定.大型风力发电机组的整机振动一般为风轮和塔架的耦合振动. 塔架的固有频率与实际刚度直接相关.机械传动链定义为风轮、轮毂、主轴、齿轮箱、高速轴、刹车、联轴器等,驱动链的谐振会对部件动态载荷有很大的影响,导致齿轮箱转矩增大,产生严重的机械噪声并造成部件损坏12。2.5.2 齿轮箱的关键作用齿轮箱是通过大小齿轮的啮合来实现变速效果的一种变速装置，在工业机械的变速方面有很多的应用。齿轮箱中的低速轴上安装有大齿轮，高速轴上安装有小齿轮，通过齿轮间的啮合和传动作用，就可以完成加速或减速的过程。齿轮箱的特点如下：1、齿轮箱的产品选择面广齿轮箱通常是采用通用的设计方案，但是在特殊情况下齿轮箱的设计方案可以根据使用者的需求而进行变化，变型为行业专用的齿轮箱。齿轮箱的设计方案中，平行轴、直立轴、通用箱体和各种零部件都能按照使用者要求更改。2、齿轮箱的运行稳定齿轮箱的运行稳定可靠，传动功率较高。齿轮箱的外部箱体结构可以使用吸音材质制造，降低齿轮箱工作过程中产生的噪音。齿轮箱本身具备的箱体结构配合大风扇能有效降低齿轮箱的工作温度。3、齿轮箱的功能齐全齿轮箱除了减速功能之外，还具有改变传动方向和传动力矩的功能，例如齿轮箱在采用两个扇形齿轮后可以将力垂直传递到另一个转动轴来实现传动方向的改变，而齿轮箱改变传动力矩的原理是，同等功率条件下，速度转的越快的齿轮，轴所受的力矩越小，反之越大。齿轮箱在运行过程中还能实现离合的功能，只要将两个原本啮合的传动齿轮分离，就可以将原动机和工作机之间的联系切断，达到动力和负载分开的效果。另外，齿轮箱可以通过一个主动轴带动多个从动轴的方式，来完成动力的分配工作。齿轮箱负责将风轮叶片的低转速转换为发电机所需要的高转速，实现能量与扭矩的高效传输。因此，齿轮箱是风电机组中最重要的传动部件。齿轮及齿轮箱在现代工业发展中具有广泛的应用。但由于本身结构复杂，工作环境恶劣等原因，齿轮及齿轮箱非常容易受到损害，会直接影响到机组的正常运行。在齿轮故障发生的初期，由故障引起的振动变化非常小，往往被淹没在其他因素所引起的各种振动信号当中不易被人们发觉。如果在发生故障的初期阶段能够及时地发现并采取相应对策，则可大大提高设备的利用率，延长设备的运行时间，将故障隐患消除在萌芽阶段。如果不能及时发现早期故障，随着机械设备的不断运转，这些早期微小的损伤往往会不断加剧恶化，逐渐发展为严重的故障.齿轮箱长期处于恶劣条件下 ， 首先是因为齿轮箱自身设计的原因由于风电机组容量不断增大，轮毂高度增加，齿轮箱受力变得复杂化，这样就造成有些齿轮箱可能在设计上就存在缺陷。其次是一般机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，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。由于齿轮箱长期处于这样的恶劣条件下，会出现粘附磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、微动磨损和气蚀，轻则导致润滑油失效，重则轴、轴承、轮齿的断裂，导致风电机组的停机。在变速变载这样的情况下，还会出现轮齿折断、齿面点蚀等的情况。据文献13，齿轮箱是风电机组中故障率最高的部件，其主要失效形式为轮齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形。上述失效皆可通过齿轮箱的振动信息表征出来。2.6 机械振动系统如图2-2所示,由于风速，材料，环境等原因，齿轮箱振动会在在不同条件下发生不同的信号，而直接反映在每一个齿上，由此产生的效率，故障等也有不同的变化。冲击性激励,持续性激励,等等引起的自由振动,强迫振动,会导致机械振动系统的振动,会让系统结构特性,固有动态特性发生改变,尤其是固有动态特性.振动特性主要是包括固有频率,阻尼频率,振型等等.由于风电机组设计的原因,机组所处的环境原因,风速,载荷受力等等变速变载的原因,会对齿轮箱产生很大的影响.我进行的课题即是应用Romax软件，将齿轮箱的振动模型展现出来，并将各部件的固有频率、啮合频率及共振区用图形的形式或者用表格的形式表达出来。预期目标是绘制出齿轮箱模型，计算出有关频率的数据，为齿轮箱的故障诊断的技术提供平台，有利于对齿轮箱的故障进行研究。图2-2 机械振动系统示意图典型的机械振动系统数学描述为： (2-1)式中，M-质量矩阵，C-阻尼矩阵，K-刚度矩阵，X-位移 固有频率 (2-2)探讨固有频率与啮合频率的共振,我们通常认为齿轮箱内部阻尼小于1，这样才有利于齿轮箱的正常运转,也比较符合齿轮箱的设计。 在输入F后,给予的分别是自由振动和强迫振动,会导致齿轮箱产生一定的振动,产生的位移,我们记作,速度记作,加速度记作。 刚度系数定义为只在坐标上产生单位位移(其他坐标上的位移为零)而在坐标上需要加的力。一个n自由度系数,共有nn个刚度系数,将它们排列起来,便组成系统的刚度矩阵。阻尼系数定义为只在坐标上有单位速度(其他坐标上的速度为零)时,在坐标上所需施加的力,即： (2-3) 同样的有质量系数,质量系数定义为只在坐标上有单位加速度(而其他坐标上的加速度为零)时,在坐标上所需施加的力,即： (2-4)一般而言,刚度矩阵和阻尼矩阵都是对称矩阵.而系统对初始激励的响应,采用模态分析的方法将原来的广义坐标变换到自然坐标,可避免联立方程组的求解.有阻尼系统的自由振动式一种减幅运动,其振幅按指数规律衰减.阻尼率越大,振幅衰减越快.振幅的衰减完全由系统本身的特性决定。根据公式2我们可以通过仪器,得到位移,速度,加速度.固有频率则可以通过刚度矩阵和质量矩阵的商的平方根得到。2.7本章小结本章主要介绍了齿轮箱内外部激励，并且着重了介绍了齿轮箱的振动机理，如风电机组振动机理和齿轮箱对于风电机组的重要性，由此引出齿轮箱的振动机理重要性，最后对振动系统作了一些阐述。华北电力大学本科毕业设计（论文）第3章 基于romax的风电齿轮箱建模3.1世界各地对romax的应用第三届亚洲风能大会暨国际风能设备展览会，在2006年6月28日30日北京的中国国际贸易中心隆重召开。全球各知名风电企业悉数登场，国内的重要厂商也纷纷亮相京城，吸引了近7000名专业观众前来，包括1/6的海外观众。英国Romax公司及恒润科技也应邀出席同时举办的技术研讨会。Romax公司总裁潘绍元博士进行了精彩讲演，介绍风电齿轮箱设计的完整软件解决方案。据数据分析，风电系统的失效率12%来自齿轮箱的失效，大约是工业齿轮箱平均失效机率的两倍。齿轮箱的失效是导致故障时间、维修和产量减少的主要原因，一般其损失要占风电设备总价的15%20%。其中齿轮和轴承错误对于失效的影响最大。系统模型对于可靠性结果而言是不可缺少的，只有完全集成化的系统模型才能得到精确结果。RomaxDesigner是一个用于传动齿轮箱分析功能丰富的软件工具包，设计人员可以在RomaxDesigner中建立集成化的齿轮箱模型。在风电方面可以帮助进行轴、轴承、齿轮系统的载荷谱分析，箱体、行星架等结构的应力和变形，行星齿轮系均载分析，齿轮传动系统的NVH分析、齿轮的胶合分析及啮合错位预计等设计工作。在RomaxDesigner中能够建立较少自由度的完整系统模型，允许快速设计迭代以达到最优方案。深入的设计和分析包括齿轮微观齿面修形及快速参数优化、考虑滚子轮廓的高级轴承分析、齿轮系（行星系）NVH、针对制造误差的鲁棒性优化设计等。并且可以快速和详细的预估不同的齿轮箱布置和子系统，以便于获得特定约束下的最优设计。通过与国际最先进的风电系统供应商们的长期合作，Romax积累了丰富的风电齿轮箱的设计经验，在北美、欧洲、亚洲都有众多成功案例，也希望与恒润科技一同，在中国风电行业的发展中贡献更多力量。 3.2 Romax软件介绍Romax是一家集软件工具开发和传动项目咨询为一体的公司，在传动领域有超过十二年以上的经验；总部设在英国，在欧洲、美国、日本、韩国、澳洲、印度等均开办有办事处。由Romax公司积累多年经验开发的Romax Designer主要应用于齿轮传动系统虚拟样机的设计和分析，在传动系统设计领域享有盛誉，目前已成为齿轮传动领域事实的行业标准。Romax用来建立齿轮传动系统虚拟样机模型，还包括详细部件强度和可靠性分析，及传动系统振动噪声分析，大大加速传动系统的设计和开发流程。在Romax中，考虑结构柔性，同时考虑更多实际情况，如装配误差及轴承间隙、预载等。Romax Designer应用很广，其中包括汽车、船舶、工程机械、风力发电、工业、轴承以及航空航天等领域的齿轮传动系统的设计。Romax虚拟原型仿真工具组成：Romax designer 完成齿轮传动系统的设计分析,包括平行轴传动系、相交轴传动系、行星齿轮传动系的完整解决方案以及轴承、系统振动噪声分析的高级分析功能。Romax dynamics 可作为 Romax designer 的部分或作为单独模块，完成传动系统的动力学分析，计算临界速度谱、阻尼固有频率谱、非平衡相应分析等内容。Romax Designer覆盖了从概念设计，部件强度、可靠性等详细设计，到系统振动噪声（NVH）预估等全部传动系统设计内容，构成了齿轮传动系统的封闭求解环境。提供了包括平行轴系、相交轴系、行星齿轮传动在内的多种齿轮传动模型的搭建、分析和设计功能。3.3 Romax建模3.3.1 Romax操作流程 在正确安装romax designer 以后,打开软件,先对自己在license manager中可是用的模块进行选择,我们一般选择all.然后再点击file菜单,点击new,进入一个对话窗口,对作者,润滑,描述等等做编辑,点击ok就可以建立一个新的设计。基本设计优化Modelgearboox ggearbox Basic 分析analysisApply loads 图3-1基本操作流程首先创建一根轴,定义不同轴段,选择并定位轴承.在主菜单的components下拉菜单创建该轴.在add new assembly 选择shaft assembly.输入轴的名称,长度,公称直径.注意此时输入的公称直径在稍后可能会有所改变,但轴的长度不变.选取第一个需要改变轴径的地方,使用剪切菜单,点击需要改变的参数,如外径,位置,内径.第二次剪切的时候应注意点击第一个图标回到选择模式,点击选择select item图标,双击剪切的地方,在弹出的对话框中输入要修改的参数点击ok就可以看到需要剪切的地方已经剪切了,紧接着继续按照数据上要求的地方进行剪切,直至所有剪切都完成,这是轴的创建已经完成,可以编辑该图保存.第二步在轴上添增轴承,在components下拉菜单里bearing中点击rolling element可以出来一个对话框,有custom fag skf torrington 四种大范围的轴承,包括了像深沟球轴承、推力球轴承等轴承,很全面.选择好轴承以后点击accept按钮以后会出来一个新的对话框,在offset位置处输入轴承安放的距离,在housing选择需要的形状,如round undefined 确定无误以后点击ok即可.注意用户定义位置时应设置轴承不同的止推方向。紧接着继续按照数据上的要求进行轴承的安放,直到所有轴承全部安放,这是轴承的创建,同样编辑保存以防丢失。第三步在轴上安装齿轮.我们选择概念性齿轮副，是因为我们在这只讨论齿轮的载荷，而对齿轮的材料，齿根圆半径不作讨论。在components下拉菜单里add new components,这时弹出一个new part的对话框,点击concept bevel gear set(根据所需要的齿轮形状,如斜齿轮,直齿,双曲线齿轮等等)以后出来的concept gear set对话框.在gear set name 中填入齿轮名称,在压力角pressure angle 输入压力角(一般为20度),在齿宽,螺旋角,等地方分别输入,确定无误以后点击确定.如果有特别的地方可以点击add remove 等.先将小齿轮安放在输入轴上，大齿轮安装在中间轴上，以保证齿轮的啮合。在组列表中双击 input shaft assembly，操作通过components下拉菜单添加。点击select from gear set选中组件中的pinion 1，双击输入位置即可.定义齿轮与轴的安放方式,有四步,与轴集成生产,双击选择 gear set中的pinion 1,选择connections标签,选择part列表中的input shaft,点击编辑按钮,选择装配方式,点击ok按钮.通过离合装置或者同步器连接,双击选择 gear set中的wheel1,选择列表中的lay shaft选择connections点击编辑按钮,选择装配方式,点击ok按钮.通过花键或者类似方式连接,同上.在轴上可自由旋转.同样的,紧接着继续按照数据上的要求进行齿轮的安放,直到所有齿轮全部安放,这是齿轮的安放,同样编辑保存以防丢失。第四步将装了齿轮,轴承的轴安装在齿轮箱里面.点击components下拉菜单里add new components,点击gear box assembly 弹出对话框,输入齿轮箱名字,点击next按钮,需要将所有的轴安放在齿轮箱中,点击add all按钮,点击next,定义轴的位置时,依次选中各根轴并输入相应坐标,对输出轴的坐标定义与上述相同.也可以点击坐标轴图标进行坐标变化.,点击ok按钮,然后点击next按钮,再点击finish按钮.完成后,这些轴已经成功安装到齿轮箱中,软件会自动打开齿轮箱窗口,对齿轮箱模型进行3d显示。第五步检查齿轮箱装配,用户可以通过analysis下拉菜单运行齿轮箱尺寸检查功能,然后进行对齿轮箱进行分析和优化.进行的步骤分别是定义载荷工况和齿轮箱载荷谱.计算轴承刚度和误差,轴承iso寿命和adjusted寿命,损伤百分数,轴承载荷谱寿命,误差对轴承寿命带来的影响,修改轴承参数以避免超载,修改轴段以减少轴承误差.首先定义齿轮箱动力负载.动力通过输入轴右端进入齿轮箱,用户需双击input shaft assembly打开输入轴编辑窗口.用户可通过components下拉菜单进行动力负载位置的定位,点击轴的右端面,输入为止,输入名字,点击ok按钮,完成了对动力流输入位置的定义.重复上述操作,对输出轴编辑窗口,动力流输出位置进行定义.下一步需对载荷工况定义,双击完成的模型打开编辑窗口,在主菜单中打开analysis下拉菜单点击add lc输入名称和持续时间,下一步指定所需的齿轮副,选中所需的齿轮,点击lock后,输入功率等.点击run按钮后点击ok按钮即可。3.3.2 风电齿轮箱的数据及其模型风电齿轮箱的数据轮系数据如表3-1至表3-4所示。表3-1 风电齿轮箱各级齿轮参数行星轮太阳轮小齿轮大齿轮小齿轮大齿轮螺旋角151515151515小齿轮旋向右旋左旋右旋左旋左旋右旋模数1010885.55.5法向压力角20度2020202020齿数392123822376齿宽200200175175120120齿轮安装位置行星轴主轴低速轴主轴高速轴低速轴齿轮安装方式花键连接与轴集成与轴集成花键连接与轴集成花键连接表3-2 高速轴参数高速级位置长度直径10160100216018011033401241204464901305554120185667450130772446998770410697746100表3-3 低速轴相关参数低速级位置长度直径内径1015160021541800319861600410540170051451902200633520180073551351700849029120095194610005654106056951000574表3-4 主轴相关参数主轴长度位置长度直径内径101516002154180031986160041052417605129195230063242152400753936023008899491120994846100010994410601199861000根据上述数据可以得到下面的Romax模型图3-2风电齿轮箱模型图3-3风电齿轮箱模型图3-4风电机组齿轮箱行星轮系图3-5风电机组齿轮箱高速轴和低速轴建模2D图根据romax软件,我们可以画出如上图所示的图形,当我们输入风速参数n=15，22.34，85，128，306，457，可以得到一到六阶的固有频率为 表3-5 一到六阶固有频率10.9473223.825397.6154133.715142.846160.35 表3-5 一到六阶固有频率 3.4本章小结本文介绍了Romax 的一些在国际上的应用，以及对Romax的一些简单介绍,着重讲解了Romax的具体操作流程,并罗列了Micon750kW的齿轮,轴等部件的具体数据,根据这些数据,画出了该齿轮箱的模型,得到了相应的固有频率。26 第4章 固有频率和啮合频率分析4.1传动比及啮合频率计算为此我做了一些调查,并且以下面的数据作模板,分析它的固有特性,为齿轮箱的故障诊断提供技术支持。表4-1 Micon750kW齿轮箱各级齿轮参数参数行星轮级中间低速级高速级内齿圈太阳轮行星轮大齿轮小齿轮大齿轮小齿轮模数10 1010885.55.5齿数992139 82237623 图4-1 风电机组齿轮箱传动简图同时给出风电机组齿轮箱传动简图,如上图；由上图我们可以求取该齿轮箱的传动比假设行星轮系的齿数为,中心轮系的齿数为，而主轴上的齿轮齿数设为z由上面的图可以得到下面方程： = (4-1) = (4-2)行星轮系级: 传动比i= = +1=5.714中间低速级： 传动比i= = =3.565高速级： 传动比i= = =3.304齿轮箱振动特征频率转速同步频率和啮合频率:1）转速同步频率= n/60 式中，n为轴转速（转/分）。2）定轴齿轮啮合频率 = nz/60 式中，n为轴转速（转/分）， 为齿轮齿数。3）行星轮系，啮合频率用下式计算：= /60 式中，为行星轮架转速（转/分）， 为齿圈齿数。本文主要对风轮转速n=15，22.34两种速度进行计算与分析。各级齿轮的转速同步频率和啮合频率计算如下：转速同步频率 主轴 15/60=0.25 太阳轮 0.25i=0.255.714=1.4 中间轴 1.43i=1.433.565=5.09 高速轴 5.09i=5.093.304=16.83啮合频率 行星级 0.2599=24.75 中间级 1.4399=117.26 高速级 5.0976=386.84表4-1 两种输入转速下齿轮箱各级频率n1n2n3n4风轮转速n=15n=22.34n=85n=128n=306n=457n=1010n=1510转速同步频率主轴0.250.371.422.135.17.6216.8325.17太阳轮1.432.118.1112.1729.1443.5296.17143.8中间轴5.097.5228.9343.39103.89155.15342.83512.66高速轴16.8324.8595.58143.36343.25512.631132.721693.81行星级24.7536.63140.58210.87504.9753.981171.172491.83中间级117.26173.02665.02997.942389.483568.647885.9411791.6高速级386.84571.522198.683297.647895.6411791.426055.0838962.16工程上规定当固有频率落入激振频率的10% 范围内时容易导致振动，当固有频率与激振频率重叠时产生共振表4-2 啮合频率10%的浮动变化n=15n=22.34n=85n=128n=306n=457n=1010n=15100.225-0.2750.333-0.4071.278-1.5621.917-2.3434.59-5.616.858-8.38215.147-18.51322.653-27.6871.287-1.5731.899-2.3217.299-8.92110.953-13.38726.226-32.05439.168-47.87286.553-105.787129.42-158.184.581-5.5996.768-8.27226.037-31.82339.051-47.72993.501-114.279139.635-170.665308.547-377.113461.394-563.92615.147-18.51322.365-27.33586.022-105.138129.024-157.696308.925-377.575461.367-563.8931019.448-1245.9921524.429-1863.19122.275-27.22532.967-40.293126.522-154.638189.783-231.957454.41-555.39678.582-829.3781054.053-1288.2872242.647-2741.013105.534-128.986155.718-190.322598.518-731.522898.146-1097.7342150.532-2628.4283211.776-3925.5047097.346-8674.53410612.44-12970.76348.156-425.524514.368-628.6721978.812-2418.5482967.876-3627.4047170.076-8685.20410612.26-12970.5423449.572-28660.58835065.944-42858.3764.2固有频率和啮合频率分析比较绘图作比较曲线分析 图4-2 90%时固有频率和啮合频率分析示意图图4-3 110%时固有频率和啮合频率分析示意图上面两图分别是10%左右的浮动变化图。分析上面两图,对于同一系列,在不同的转速同步频率下会形成一个以原点为起点的两条曲线,然后观察固有频率,落入曲线之间的,则会造成共振,没有落到曲线的,可以认定安全。一到六阶的固有频率10.9473223.825397.6154133.715142.846160.35固有频率一阶是0.9473，没有落到啮合频率的范围之内。固有频率二阶是23.825, 没有落到啮合频率的范围之内。固有频率三阶是97.615, 没有落到啮合频率的范围之内。固有频率四阶是 133.71,没有落到啮合频率的范围之内。固有频率五阶是 142.84 ,没有落到啮合频率的范围之内。固有频率六阶是160.35,没有落到啮合频率的范围之内。但是固有频率会和转动同步频率会有重合的时候,如n=22.34 85的时候,高速轴会有共振,N=457的时候,中间轴会有共振,在进行齿轮设计的时候应尽量避开这些可能共振的地方,而在风电机组的工作当中,一旦发生故障,应该首先先判断这些地方是否正常工作,还是发生了故障,在进行齿轮箱设计的时候这些也应该是首先应做考虑的。4.3本章小结本章计算了Micon750kW齿轮箱各级传动比,以及各级的啮合频率,再根据上一章得到的固有