风电装备传动系统及零部件疲劳可靠性评估方法 - 谢里阳

1、 6 _ 机 械 工 程 学 报 第 卷第 期 可 靠度 以 应 力 为 条件 ， 即 强 度大 于 指 定 应 力 值 的 不 相 同 但 可假 设 线 性 相 关 例 如 都 与 扭矩 存 在 某 种 ， 概 率 如下 关系 。 由 于 系 统 中 各零 部 件之 间 的 载 荷 相 关 性和 载 荷 的 随机 性 式中 名 零 件 的 失 效 不是 相 互 独 立 的 因而 不 能 认 为 串 联 系 统 的 可靠 度 等 于 各零 件 可靠度 的 乘 傾 零 件 的 静 强 度 概率 密 度 函 数 ， 。 积 能 反映 。 下 面 首先 以 载 荷 与 强 度 都 服从 正 态分布

2、的 情 ， 根 据 连 续 随 机 变量 的 全 概率 计 算 原 理 载 荷不 确 定 性 效应 应 力 概 率 密 度 函 数 用 的 零件 静 强 度 可 靠 度 计 算 公 式 可 表 达 为 况为 例 通 过对载 荷 的 归 。 一 化处 理建 立 串 联 系 统 可 表示 ） 靠 性模 型 设 传 动 系 统 中 第 个 零 件 承 受 的 当 量恒 幅 循 环 应 力 当 量应 力 的含 意 见本 文第 显然 处 ， 节 疲 劳 累积 损 伤 ” “ 式 即 为 传统 纖 荷 强 度 干 涉 模 ， 及 变 幅 载 荷 历 程 当 量应 力 幅 计 算 及 式 分布 广 释 容

3、易 得 由 ； ， 服 从 正态 则很 县 但在 概 率 的 数 学 意义 上 式 ， 可 解释 为 随 机 函 数 ， 七 概率 密 度 函 数用 咖 表示 士 上 的 统计 平 均 值 咖 在 随 机变 量 蛐 定 义域 或 隨 函 数 隨 学 期 望 其 中 随机 变 量 概 率 密 ， 分 么 上 ， ） ， 概 率密 度 函 数 用 如 表 不 之 间 的 度函数为 对 于 疲 劳可 靠性 问 题 ， 由 于 对应 于 指定 寿 命 的 ， 或 疲 劳强 度 的 概 率 分布 难 以 获 得 为 作 为 载荷 水 平 可 以 根据 式 。 构 造 出 直接 根据 寿命 分 布计 算

4、疲 劳可靠 度 的 模 型 靠度 函 数 令 在 此基础 上 可 以 根据 广 义 的 载荷 强 度干 涉分 ， 函 数 的 零件 条 件 疲 劳 可 析 原 理 直 接构 建系 统可 靠 性 模 型 其 基 本 原 理是 ， 。 ， ， 在 给 定 循环 应力 用下 ， 条件 可 靠 度 ， 在 确 定 性 载荷 作 用 下 ， ， 系 统 中 各 零 件 的 失 效是 相 互 一 即 寿 命 大 于 指 定 的 载 荷 循 环 数 厂 的 概 率 可表 达 为 ￥ 独 立 的 因 而 串 联 系 统 的 条 件 失 效概 率 以 某 用 全 概 率计 算 原 理 的 确定 再应 为如 的

5、载 荷 为 条件 等 于 各 零件 条 件 失 效 概 率 之 积 ， 。 可得 随 机载 荷环 境 下 ， ， 系 统中 式中 相 应地 循环 应 力 水 平 下 的 疲劳 寿 命概 率 密度函 数 ， 个零件 都不 失 效 的概率 即 串 联 系 统 的 可 靠度 。 可 以表 达 为 随 机 恒 幅 循环 载 荷 境 下 的 疲 劳可 八 ； 靠 度表 达 式 为 力 知 一 伽 如 标 准 正 态 概 率密 度 函 数 ； 式中 应用 式 由此 可 以 计 算 具有 不确 定 性 的 恒 。 循环 根据 幅 （ 零 件 的 条件 疲 劳 寿 命概 率 密 载 荷作 用 下 的疲 劳 可

6、靠 度 ， 在 己 获 得充 分 的 载荷 历 程 样 本 后 明 显不 同 于 传 统 的 、 ， 式 可 以 计 算 出 各 变 幅 载 荷 历 程样 本 的 等 效 。 在 各 零件 独 立 失 效条 件 下 循 环应 力 水 平 经 过对 这 些 等 效 恒 幅 循环 应 力 统 计 ， 得 到 的 串 联系 统可靠 性 模型 分析 ， 拟 合 其概 率 分布 形 式 并 估 计 出 分布 参数 后 ， 获 得 循环 应 力 的 概 率 密 度 函 数 再借 助 由 小 样 一 本 试验 得 出 的 不 同 应 力 水 平 下 的 疲 劳 寿 命 分 布 曲 线 试验 得 出 不 同

7、应 力 水 平 下 的 刷咏即 由 疲 劳 寿 命 的 概 率 密度 函 数 就 可 以 用 式 计算 出 ， 般 来讲 若 随 机 变量 ， 具 有连 续 的 分 布 函 数 尸 ， 则及 尸 为 ， ， 区 间 上 均 勻 分布 的 随 机 变 量 。 由 此 可知 由 ， 零 部 件 在 錢载 概 程 雜 胃纖 区 间 上 均 勻 分 布 的 随机 数 。 通过 、 例如 卩 可翻 默 隱 纖 这 是 随机 ， 串 联 系 统 可 靠 性评估 觀 风 力 发动 机 传统 系 统 中 包 含 多 个零 部件 ， 若 循 环应 力 的 幅 度 服从 三 参 数 威 布 尔 分 綠托 ， 是

8、， 一 布 记为 ， 零 沒 ， ， 其中 ， ， 为 形状 参 数 ， 个 典 睡 串 联 系统 。 对同 台 风 力 发动 机而 言 其 位 置参 数 为 尺 度参 数 则 三 参 数 威布 尔 分 布 的 传 动 系 统 中 各 零件 在服 役过 程 中 承 受 的应 力 通常各 密度 函 数 为 2 0 1 4 年 月 谢里阳 等 ： 风 电 装 备 传 动 系统及 零 部 件 疲 劳 可靠 性 评估 方法 一 件之 间 的 失效 相 关性 参 。 考 文 献 累积分布函 数为 ， ： 式中 公 沒 设 随 机 变量 ， ， 令 尸 ， 解 每口 为 ： 显然 ， 随 机变 量 ， 。

9、 假 设系 统 由 载荷 个 零件 组 成 ， ， 第 个零 件承 受 的 第 个 零 件 的 条 件疲 劳 寿命 ， 伽 概率 密度函 数 为 计 算 表达 式 为 可 知 串 联 系 统 的 可靠 度 ： 丄 吞广 丨 、 厂 式中 ， 。 ； 由于 服从 区 间 上 的 均 匀 分布 ， 所以 王正 ， 谢里 阳 ， 李兵 随 机 载荷 作 用 下 的 零件 动 态 可 靠 ： 柳 式 可 以 简化 为 性模型 机 械 工 程 学报 ， ， ： 结论 ： 根 据 风力 发 电 装备 服役 方 式 及服 役载 荷 的 特点 础 ， 从风 力 发 电机 服役 地域 位 置和 时 间 两 个

10、方面 ， 描 述风 力 发 电 机 载荷 历程 的 概 率 特 性 ， 并 以 此 为基 基 于 全 概率 计 算 计 算可 靠 趣 立 了 风 力 发 电 装备 机械 ， ， 零 部 件及 传 动 系 统 疲 劳可 靠性 模型 。 频是 ， 首 先对 分析 对 象 的 一 多 个载 荷 历 程样 本 进 行统 计 分 析 ， 获 得 各 载荷 历 程 ， ： 中 载荷 循环 幅 值 的 概 率密 度 函 数 后 根 据 累积 损 伤 根据 计 算 与 之寿 命 相 等 的 恒 幅 循 环 载 荷 的 应 力 幅 这 些 恒 幅 循 环 应 力 幅 的 统 计分 布 验 数据 拟合 出 的 布

11、函数 ， ， 以 及 由 小 样 本试 、 作 为 应 力 幅 的 函 数 的 疲 劳 寿命分 【 计 算 风 电装 备机 械零 件及 其构 成 的 串 联 系 。 统 的 可 靠度 叩 本 文提 出 的 模 型 综 合 反 映 了 载 荷 不 确 定 性 和 载 荷 多 次 作用 下 的 疲劳 损 伤 累 积 效应 以 及 零部 ， 8 _ 机 械 工 程 学 报 第 卷第 期 ： ： 宋 兆泓 机械 装 备 可 靠 性 与 故 障 抑 制 工 程 ， 北京 ： 谢里 阳 ， 王正 ， 周 金宇 ， 等 机 械可 靠 性基 本 理 论 与 方 ， 北 京 航空 航天 大 学 出 版 社 法 第 二版 ， 北京 ： 科学 出 版 社 ， ： 培 ： ： 作者 简介 究 生 导师 ： ： 谢里 阳 通信 作者 ， 男 ， 年出生 ， 博士 ， 教授 。 ， 博 士研 。 主要 研 究方 向 为 机 械装 备疲 劳 强 度 与 可 靠性 刘建 中 ： ， 男 ， 年出生 博士 ， ， 研究 员 ， 博 士 研 究生 导 师 。 主要