2.5MW风电齿轮箱含裂纹损伤的动力学建模与仿真研究

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1、标注）－ｒｓｉｔＺｈｅｉａｎＳｃｉＴｅｃｈＵｎｉｖｅｙｊｇ硕士学位论文Ｍ’ａｓｔｅｒｓＴｈｅｓｉｓ＇ｗ１８９７％／中文论文题目：２．５ＭＷ风电齿轮箱含裂纹损伤的动力学建模与仿真研究ｈＤＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ２．５ＭＷＷｉｎｄ英文论文题目：ＲｅｓｅａｒｃｏｎｙｎａｍｉｃＴｕｒｂｉｎｅＧｅａｒｂｏｘｗｉｔｈＣｒａｃｋＤａｍａｇｅ学科专业：机械工程作者姓名：吴建伟陈换过指导教师：２０１７年１２月２０日完成日期：浙江理工大学硕士学位论文2.5MW风电齿轮箱含裂纹损伤的动力学建模与仿真研究摘要在风力

2、发电机组中，风电齿轮箱起到增速和传递动力的作用，是整个风机传动系统中的重要组成部分，其运行状态是否稳定，影响着整个机组的正常工作。由于行星齿轮传动具有结构紧凑、体积小、传动效率高和传动比大等优点，因此在风电齿轮箱中得到了广泛的应用。但其多在风沙、潮湿、低速重载等恶劣环境中工作，常会导致太阳轮等重要部件出现轮齿齿根疲劳裂纹损伤等故障，造成重大损失。故障机理不明确是导致行星轮系增速箱早期故障诊断困难的主要原因之一，其中故障行星轮系的动力学分析是揭示其故障机理的关键。通过建立考虑关键部件损伤程度的故障行星轮系的动力学模型，对其在损伤激励下的振动特性进行准确分析，在此基础上揭示行星轮系故障产生及

3、演化机理，可以为风机齿轮箱故障诊断提供必要的理论依据。因此，本文以功率分流式两级行星轮系为研究对象，从故障产生及演化机理分析入手，通过建立损伤参数和模型参数之间的量化关系，建立含裂纹故障行星轮系动力学模型。基于模型仿真，研究不同损伤程度对行星轮系动态响应的影响。论文的主要工作包括以下几个方面：（1）阐述了行星轮系动力学以及基于模型的故障诊断技术研究现状。在此基础上，总结了当前研究仍存在的问题。（2）分析了功率分流式两级行星轮系的结构特性及运动学特性，并基于ADAMS软件建立系统多体动力学模型，对其啮合特性进行分析。在此基础上，根据牛顿第二定律，建立考虑时变啮合刚度、阻尼、啮合相位差等非线

4、性特性的纯扭转动力学模型，根据各构件间相对位移分析，分别推导出角位移和线位移表示的系统动力学微分方程，为行星轮系动力学分析奠定了基础。（3）对行星轮系齿轮时变啮合刚度进行了分析。首先，将轮齿简化为齿根圆上的悬臂梁结构，在分析势能法求解齿轮啮合刚度的基础上，基于改进势能法，推导了齿轮啮合刚度计算公式，通过Matlab编写程序计算并绘制太阳轮-行星轮、齿圈-行星轮啮合刚度曲线，进一步编制行星轮系齿轮啮合刚度计算软件，可用于不同结构行星轮系啮合刚度的计算。最后，运用数值分析方法求解系统自由振动微分方程，分析系统无故障情况下的固有特性，并研究时变啮合刚度及啮合相位对系统固有频率的影响。（4）针对

5、行星轮系齿根疲劳裂纹损伤特征微弱难以表征及早期诊断困难的问题，建立裂纹损伤模型，并研究了太阳轮齿根裂纹扩展对时变啮合刚度的影响。首先推导裂纹I浙江理工大学硕士学位论文2.5MW风电齿轮箱含裂纹损伤的动力学建模与仿真研究轮齿时变啮合刚度算法。然后，分析裂纹扩展对时变啮合刚度的影响，为建立含裂纹损伤的动力学模型提供理论基础。（5）分析了局部故障齿轮系统的振动信号成分，然后，通过模型仿真获取包含太阳轮损伤信息的系统振动响应，提取太阳轮轮齿损伤引起的瞬态冲击特征、边带频谱结构及故障特征频率。最后，选取八个特征指标来评估裂纹的增长，为实际中复杂行星轮系故障诊断提供必要的理论支撑。关键词：风电齿轮箱

6、；行星轮系；动力学模型；时变啮合刚度；故障特性II浙江理工大学硕士学位论文2.5MW风电齿轮箱含裂纹损伤的动力学建模与仿真研究AbstractWindturbinegearboxisanimportantpartinthewholewindturbinedrivesystemwhichcanincreasethegrowthrateandtransmitpower.Thestabilityofitsoperationstatehasaninfluenceonthewindturbine.Planetarygeartrainiswidelyusedinwindturbineowingtot

7、heiradvantages,suchassmallvolumerequired,largeratiooftransmissionandhighefficiency.Becauseitoftenworksinasandy,moistureorlow-speedandheavy-dutysituation,whicheasilyleadstothefailureoftoothrootfracture,fatiguecracksinso