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1、会计学1硕士博士答辩模板硕士博士答辩模板 未来五年，中国风电增速将放缓，努力提高机组运行可靠性将成为行业未来发展的首要任务。 来源：朱俊生, 2011中国风电大会暨展览会 1.1 行业背景 来源：Gearbox Modeling and Load Simulation of a Baseline 750-kW Wind Turbine Using State-of-the-Art Simulation Codes. Technical Report, NREL/TP-500-41160, February 2009. Downtime hours accumulated from 2003 t

2、o 2007 for wind turbines operating in Germany11%60%29%11%风电机组主要失效零部件故障率对比图 来源：王碧石, 1.5MW风电机组齿轮箱关键部件的静力与疲劳寿命分析 , 宁夏大学硕士学位论文, 2012.1.2 技术背景 国际标准及我国国家标准要求“在主机正常运转情况下，齿轮箱的使用寿命应不小于20年”。 我国已将“大型风电机组运行可靠性”部署为风电机组研究领域的前沿问题之一 。 来源：2011-2020年我国能源科学学科发展战略报告(第4稿) 1.3 学科背景增速器高速轴齿轮主轴轴承叶片可靠性分析算命可靠性设计延寿1.4 研究意义理论模型

3、零件：疲劳载荷作用下齿轮箱零件失效的概率判据系统：齿轮箱各组成零件失效过程相关性的数学表征切入点2.1 周期性变幅疲劳载荷作用下的零件可靠度模型 表表3.1 某风场风速记录某风场风速记录 (瑞好风电场，位于黑龙江省大庆市瑞好风电场，位于黑龙江省大庆市)春季(3-5月)夏季(6-8月)秋季(9-11月)冬季(12-2月)风速（m/s）8.2，8.8，8.05.8，5.8，5.17.1，9.1，6.66.9，6.4，7.7风速均值（m/s）8.33335.56677.60007.0000风速方差（m/s）0.17330.16331.75000.4300来源： http:/ 图3.1 随机风速时程曲

4、线图3.2 齿轮箱输入转矩的时程曲线图3.3 齿轮箱周期性载荷时程曲线 载荷定义：在一个工作周期内载荷幅值分别为S1,S2, ,Sk, 各级载荷作用的次数分别为n1,n2, ,nk，每个周期内k级疲劳载荷按照1,2, ,k的顺序依次加载。 式中，Y(0)为初始静强度，SP为疲劳破坏时的疲劳载荷峰值， Y(n)为载荷作用后的剩余强度，n、N 分别为载荷作用的循环次数和循环寿命，c为该载荷作用下的剩余强度退化参数。( )(0)(0)cPnY nYYSN Schaff提出的剩余强度模型 来源：Schaff J R, Davidson B D. Life prediction methodology

5、for composite structures.Part Constant amplitude and two stress level fatigueJ. Journal of Composite Materials, 1997, 31(2): 128-157. 参考文献21提出多级载荷作用下剩余强度模型 来源：敖波, 张定华, 赵歆波. 多级载荷作用下剩余强度的估算J. 机械强度, 2007, 29(3): 463-467.11(0)(0)kckkkikiknnYnYYSN11111(0),2(0)0,1kkciikkkYYnNknYSk 本文推导出周期性疲劳载荷作用下的剩余强度模型 来

6、源：安宗文, 郑 堃, 黄建龙. 周期性疲劳载荷作用下的应力-强度干涉模型. 电子科技大学学报, 2013, 42(2): 306-310.maxmaxmax1qcqdqnnCN ( )(0) (0)tdY nYYS C 首先计算载荷作用若干完整周期后的剩余强度，然后以完整周期后的剩余强度为初始强度，计算载荷作用最后一个不完整周期后的剩余强度。 周期性疲劳载荷作用下的结构可靠度模型( )( )ttdR nP Y nS采用通用生成函数法求解上式表述的概率值 算例：45#钢初始强度服从正态分布，均值为833.6MPa，标准差为8.336MPa。分别在3级疲劳载荷作用下对试件进行疲劳寿命试验，结果如

7、表3.2。表3.2 45#钢疲劳试验数据 来源：姚卫星. 结构疲劳寿命分析, 2003. 机械零件工作中承受周期性疲劳载荷作用，上述3级载荷为一个完整周期内所有载荷，每个完整周期内的工作循环次数分别40、10、30。计算nt=24250-24950时零件可靠度。 1278S 511.646 10N 14.186c 2395S 324.928 10N 23.902c 3317S 433.22 10N 34.092c 疲劳载荷幅值(MPa)循环寿命剩余强度退化参数图3.5 零件可靠度原始曲线及拟合曲线2.2 考虑失效模式相关的齿轮动态可靠度模型 齿轮的单个轮齿承受周期性脉动循环作用，不同于齿轮箱其

8、他零件(轴类零件)的载荷作用规律。 齿轮失效模式（齿根弯曲疲劳失效、齿面接触疲劳失效、磨损失效）之间是否相互影响。顺序统计量Copula函数 p：行星轮；r：内齿轮（固定）；c：行星架；s：太阳轮；4：一级主动斜齿轮；5：一级从动斜齿轮；6：二级主动斜齿轮；7：二级从动斜齿轮；Tin：输入扭矩；Tout：输出扭矩；gi：滚动轴承代号；i代表轴承的编号，i1，2，8。图4.1 1.5MW风电齿轮箱的结构简图图4.2 太阳轮s齿根弯曲疲劳动态可靠度 图4.16 太阳轮s齿面接触疲劳动态可靠度 考虑齿轮疲劳寿命的不确定性，可将该寿命视为一个服从某种分布的随机变量。假设齿轮齿根弯曲疲劳寿命服从对数正态

9、分布。)(1)(FFtRtFii图4.2 太阳轮s齿根弯曲疲劳动态可靠度 图4.9 太阳轮s齿根弯曲疲劳寿命分布函数曲线图4.30 太阳轮s两种失效模式下寿命分布函数的二元直方图上尾相关图4.31 Gumbel Copula函数的分布密度)ln()ln(exp();,(1GvuvuC分布函数为：图4.31 失效模式相关条件下太阳轮s动态可靠度2.3 风电齿轮箱系统可靠性模型 o 由400万个的零件，每个零件可靠度为0.999999。o 按零件相互独立的串联模型计算得到客机可靠度为0.0183。 “遥十火箭飞行可靠性达0.9867，比遥九火箭提高0.2”。来源：中国运载火箭技术研究院党委书记梁小

10、虹 零件相互独立的假设对电子系统而言，有时是不正确的；但对机械系统而言，这样的假设几乎总是错误的。 来源： OConnor P D T. Commentary: ReliabilityPast, present, and future. IEEE Transactions on Reliability, 2000, 49(4): 335-341. “机械系统中各零件的失效既不是相互独立，也不是完全相关”。 来源：谢里阳, 王 正, 周金宇, 等. 机械可靠性基本理论与方法M. 北京: 科学出版社, 2008 121212121212s1211112211112( )(,)1()(,)( 1)(

11、,)( 1)( ,)1( 1)( 1)( ,)kkknnniiiiiinnkiiiiiinnnnnnkikiiiniiinnnR tP Xt XtXtP XtP Xt XtP Xt XtXtC u uuuJJC u uu ,(7)n 将齿轮箱简化为由7个齿轮串联而成的系统，用Copula函数描述任意两齿轮失效过程的相关性。 求解步骤：(1) 确定各齿轮寿命随机变量的边缘分布； (2) 选取一个适当的Copula函数，以便能够很好地描述各寿命随机变量之间的相关结构； (3) 估计Copula函数中的相关程度参数；(4) 根据选择出的Copula函数和相关程度参数，计算齿轮箱系统可靠度。图5.1

12、太阳轮s寿命分布曲线 图5.2 行星轮p寿命分布曲线 假设寿命服从对数正态分布图5.8 太阳轮s和行星轮p寿命分布函数的二元直方图对称相关 图5.9 Frank Copula函数的分布密度图 ), 0(3, 0,) 1() 1(1ln1-),.,(C1121时，；neeuuunniuni), 0(3, 0,) 1() 1(1ln1-),.,(C1121时，；neeuuunniuni Frank Copula函数分布函数为： 表5.2 齿轮箱齿轮寿命相关程度参数估计齿轮对s-ps-rs-4s-5s-6s-7p-r相关程度参数2.01123.04850.92621.07200.51810.3692

13、2.2890齿轮对p-4p-5p-6p-7r-4r-5r-6相关程度参数1.29090.65570.05461.46030.60312.91880.2321齿轮对r-74-54-64-75-65-76-7相关程度参数2.39793.82140.94770.88090.25872.27313.2396 取表5.2中各相关程度参数的均值作为齿轮箱系统整体相关程度参数，得 。1.4891图5.10 齿轮箱系统可靠度随时间的变化曲线总结：(1) 影响其风电齿轮箱可靠度（寿命）的因素众多。本文仅从载荷作用规律及失效相关性的角度定量探讨齿轮箱可靠度的演化规律； (2) 为使问题简化，建模过程中仍有许多假设

14、条件，这些条件本身需要工程实践的检验；(3) 上述阶段性成果对建立我国大型风电机组及其核心部件设计的基础理论体系具有参考价值。 齿轮箱及其齿轮箱及其零件寿命的零件寿命的统计建模统计建模 齿轮箱零件齿轮箱零件动态可靠度动态可靠度建模建模 基于基于Copula函数的齿轮函数的齿轮箱寿命建模箱寿命建模后续工作展望：(1) 复杂载荷的数学表述问题；(2) 基于随机过程理论的机械结构强度退化模型；(3) 多维混合Copula函数的构造方法；(4) 可靠性与维修性的融合。 未来五年，中国风电增速将放缓，努力提高机组运行可靠性将成为行业未来发展的首要任务。 来源：朱俊生, 2011中国风电大会暨展览会 1.1 行业背景 来源：Gearbox Modeling and Load Simulation of a Baseline 750-kW Wind Turbine Using State-of-the-Art Simulation Codes. Technical Report, NREL/TP-500-41160, February 2009. Dow