【摘要】：隨著能源和環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，風(fēng)能作為一種清潔、可再生能源受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，其性能好壞直接決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能的好壞。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作在變載荷的惡劣工況，處于高空架設(shè)，維修困難，這就對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求。因此，研究在隨機(jī)風(fēng)速工況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和可靠性是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要任務(wù)之一。 本課題結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975294)的主要內(nèi)容，并考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)在隨機(jī)風(fēng)速工況下運(yùn)行的工作特點(diǎn)，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和動(dòng)態(tài)可靠性問(wèn)題開(kāi)展了較全面深入的研究。主要研究?jī)?nèi)容包括以下方面： 1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)隨機(jī)風(fēng)速模型研究 為了更真實(shí)的反映傳動(dòng)系統(tǒng)的外部激勵(lì)，基于風(fēng)能和風(fēng)資源的數(shù)學(xué)描述以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作特點(diǎn)，研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的外部激勵(lì)。采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的加權(quán)最小二乘支持向量機(jī)（Weight Sparse Least Squares Support VectorMachines，WSLS-SVM）模擬隨機(jī)風(fēng)速，結(jié)合風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)理論計(jì)算得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩載荷作為系統(tǒng)的外部激勵(lì)，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。 2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪-軸承耦合動(dòng)力學(xué)研究 基于齒輪嚙合理論和Lagrange方程，考慮了輪齒嚙合誤差、齒輪副的時(shí)變嚙合剛度及滾動(dòng)軸承的時(shí)變嚙合剛度等因素，運(yùn)用集中參數(shù)法建立了MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的固有特性，系統(tǒng)地分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部激勵(lì)特征。在模擬真實(shí)風(fēng)場(chǎng)隨機(jī)風(fēng)速的基礎(chǔ)上，將由隨機(jī)風(fēng)速變化引起的隨機(jī)風(fēng)載荷作為系統(tǒng)的外部激勵(lì)，求解了風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)特性進(jìn)行了分析。求得了在隨機(jī)風(fēng)載作用下系統(tǒng)各齒輪和各軸承的動(dòng)載荷，對(duì)比分析了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)隨外部激勵(lì)變化的規(guī)律，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)可靠性分析和疲勞壽命預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)。 3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可靠性分析 根據(jù)隨機(jī)風(fēng)作用下各齒輪和軸承的動(dòng)載荷，基于有限元方法、赫茲接觸理論和準(zhǔn)靜態(tài)方法，求得了系統(tǒng)各齒輪副和各軸承的動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力。采用雨流計(jì)數(shù)法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，得到系統(tǒng)各構(gòu)件動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力的概率分布形式，并利用MonteCarlo仿真試驗(yàn)得到零件疲勞強(qiáng)度的概率分布。將載荷作用過(guò)程視為隨機(jī)過(guò)程，強(qiáng)度視為隨機(jī)變量，建立零件的隨機(jī)過(guò)程功能函數(shù)，利用一次二階矩和攝動(dòng)法求得關(guān)鍵零部件的可靠性指標(biāo)及可靠度隨時(shí)間變化關(guān)系，根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可靠性模型，進(jìn)而得到系統(tǒng)的可靠度隨時(shí)間變化規(guī)律。對(duì)系統(tǒng)輸入隨機(jī)載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和分級(jí)處理，編制了用于疲勞壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)載荷譜，為可靠性動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和疲勞破壞試驗(yàn)提供基礎(chǔ)。 4.考慮失效相關(guān)的風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性分析 在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)各齒輪副和各滾動(dòng)軸承應(yīng)力-時(shí)間歷程統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，考慮在齒輪和軸承的相互耦合作用、零件失效相關(guān)性以及強(qiáng)度退化等因素，從系統(tǒng)層面上應(yīng)用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型，將載荷作用過(guò)程看作隨機(jī)過(guò)程，建立了考慮失效相關(guān)性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性模型，得到了系統(tǒng)可靠性隨時(shí)間變化規(guī)律，研究了強(qiáng)度退化對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響規(guī)律，并與不考慮失效相關(guān)性的動(dòng)態(tài)可靠性模型進(jìn)行對(duì)比，揭示出失效相關(guān)性對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠度具有正相關(guān)的特性。 5.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞壽命預(yù)測(cè) 應(yīng)用雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)循環(huán)參量，結(jié)合Goodman公式將工作循環(huán)應(yīng)力水平按等壽命原則轉(zhuǎn)換為對(duì)稱循環(huán)下的疲勞應(yīng)力譜�？紤]影響零件疲勞強(qiáng)度的各種因素，由材料的P-S-N曲線得到零件的P-S-N曲線，基于Palmgren-Miner線性累積損傷法則建立了關(guān)鍵零件的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)系統(tǒng)各齒輪和軸承的疲勞壽命進(jìn)行估算，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞壽命預(yù)測(cè)提供了理論方法。 6.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能與疲勞壽命試驗(yàn)研究 基于相似原理設(shè)計(jì)制造了用于試驗(yàn)的風(fēng)電齒輪箱，搭建了風(fēng)電試驗(yàn)齒輪箱動(dòng)態(tài)測(cè)試和疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展了試驗(yàn)齒輪箱的動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)和疲勞壽命試驗(yàn)，將仿真模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了仿真模型的正確性和有效性，對(duì)隨機(jī)風(fēng)作用下風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和可靠性試驗(yàn)研究進(jìn)行了初步探索，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TM315;TH132.41
【圖文】：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)能利用的核心裝備，主要由葉片，傳動(dòng)主軸及連軸器，增速傳動(dòng)箱，發(fā)電機(jī)，偏航及變槳機(jī)構(gòu)，機(jī)艙和塔架等幾個(gè)組成部分。增速箱作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)中連接葉輪和發(fā)電機(jī)的重要部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、長(zhǎng)壽命和高可靠性等技術(shù)特點(diǎn)。其性能的好壞直接決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能的好壞，由于風(fēng)電機(jī)組安裝在高山、荒野、海灘等風(fēng)口處，工作環(huán)境非常惡劣，其齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在隨機(jī)風(fēng)作用下承受高度不穩(wěn)定的動(dòng)載荷和疲勞循環(huán)，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)失效率最高的部件之一，根據(jù)國(guó)際風(fēng)能大會(huì)的數(shù)據(jù)分析，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的失效 12%來(lái)自于齒輪箱的失效，大約是工業(yè)齒輪箱平均失效機(jī)率的兩倍[3]。同時(shí)，隨機(jī)風(fēng)載條件下齒輪和軸承之間的動(dòng)態(tài)耦合作用，使傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)載荷加劇，也是導(dǎo)致系統(tǒng)中齒輪和滾動(dòng)軸承失效率高的主要因素[4]。傳統(tǒng)采用的穩(wěn)定載荷下的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)法滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)隨機(jī)風(fēng)載條件對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，深入研究變工況隨機(jī)風(fēng)載條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和可靠性，對(duì)提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速箱的整機(jī)性能、解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能和使用壽命的瓶頸問(wèn)題，對(duì)發(fā)展風(fēng)能技術(shù)進(jìn)而對(duì)國(guó)家能源安全和環(huán)保事業(yè)具有重要意義。

圖 2.1 表示了陣風(fēng)和平均風(fēng)速的關(guān)系。平均風(fēng)速的分布用數(shù)學(xué)概率分布來(lái)描述，常用的平均風(fēng)速累積分布為威布爾（Weibull）和瑞利（Rayeigh）分布。由于 Weibull分布有尺度參數(shù)和形狀參數(shù)兩個(gè)參數(shù)，分別控制風(fēng)速分布的寬度和平均分布，對(duì)風(fēng)速分布的描述更加準(zhǔn)確，因此通常采用 Weibull 分布描述風(fēng)速分布規(guī)律。風(fēng)的變化是隨機(jī)的，任一地點(diǎn)的風(fēng)向、風(fēng)速和持續(xù)時(shí)間都是變化的，為定量的衡量風(fēng)力資源，將風(fēng)向分成若干個(gè)方位，根據(jù)各方向出現(xiàn)的頻率按相應(yīng)的比例長(zhǎng)度繪制在圖上，形成如圖 2.2 所示的風(fēng)能玫瑰圖，它同時(shí)含有風(fēng)向和風(fēng)速的信息，反映風(fēng)能資源的特性。風(fēng)能玫瑰圖上的射線長(zhǎng)度是某一方向上的風(fēng)速頻率和平均風(fēng)速三次方的乘積，用以評(píng)估各方向的風(fēng)能優(yōu)勢(shì)。

圖 2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖.3 Typical structure diagram of the wind turbine gear transmission sys機(jī)組工作狀況的復(fù)雜性和載荷變化的多樣性與隨機(jī)性，具有隨機(jī)變化的波動(dòng)性特征。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在切入與切出所受的載荷會(huì)隨著風(fēng)速的變化而變化，并呈現(xiàn)較為典型機(jī)組控制方式的不同，如失速控制、集中變槳距控制或荷會(huì)有一定的變化。而且，由于外部擾動(dòng)因素引起的瞬切出，快速變槳距調(diào)節(jié)，葉尖展開(kāi)及正常制動(dòng)等，一般，甚至出現(xiàn)瞬時(shí)反向載荷。這些載荷一般要求在進(jìn)行齒其影響予以考慮。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)遇到極端風(fēng)況、發(fā)風(fēng)等引起的極端載荷。荷外，包括齒輪箱在內(nèi)的整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的工作環(huán)境是一個(gè)多的多體柔性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，因而其工作載荷的動(dòng)態(tài)特征將導(dǎo)致齒輪箱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)各零部件的動(dòng)態(tài)載荷也隨機(jī)變化

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2773017