大型风电齿轮箱系统耦合动态特性的研究

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1、大型风电齿轮箱系统耦合动态特性的研究摘要：综合考虑轮齿啮合时变刚度、齿轮传递误差、齿轮啮合冲击以及风载变化等因素影响，建立具冇多级齿轮传动的大型风电齿轮箱的齿轮-传动轴-轴承-箱体系统耦合非线性动力学模型。对风电齿轮箱系统冇限元模型进行耦合模态分析，运用模态叠加法对齿轮箱系统在內部激励与外部激励综合作用下的振动响应进行求解。将仿真结果与实验数据对比，进而得到齿轮箱各点振动位移、速度、加速度及结构噪声等系统动态评价指标，为大型风电齿轮箱动态特性的准确评价及齿轮系统动态性能优化设计提供理论依据。关键词：变载荷；风电齿轮箱

2、；耦合非线性；动态特性；振动响应中图分类号：TH113文献标识码：A增速齿伦箱作为风力发电系统设备的一个核心装置，其综合动态性能的好坏将直接影响到整个风电系统的性能。随着风电增速齿轮箱功率向大型、特大型方向的不断发展，对齿轮箱系统动态特性的要求也在不断提高，促使人们在丰富齿轮系统分析模型、齿轮箱性能研允方法、理论创新等方面进行深入研允⑴2】，并扩展到更为广泛的领域，不仅涉及到强度、寿命、精度、可靠性等，更强调齿轮增速箱的动力学性能，如振动、噪声、冲击等9铁因此，研究在变载荷工况下大型风力发电齿轮箱系统耦合非线性动态特

3、性，为研制高可靠性、具有良好静/动特性的大型风电增速齿轮箱具有重要的理论价值和实际工程意义。风电齿轮箱系统是包含齿轮箱箱体、齿轮副、传动轴和轴承等零部件一个复杂机械弹性系统由于原动机负载变化、轮齿啮合时变刚度、啮入啮出冲击载荷、传递误差的存在，以及齿伦箱系统高度的非线性及耦合效应，为齿轮箱的动态特性研究带来一定的困难⑺％随着有限元理论和应用软件日趋成熟，利用有限元法为研究齿轮箱系统的振动、噪声以及冲击等动态特性提供了方便U0J1Jo本文建立某大型风电齿轮箱的齿轮•传动轴■轴承.箱体的系统耦合分析模型，综合考虑轮齿啮合

4、时变刚度、齿轮传递误差、齿轮啮合冲击以及风载变化等因素影响，研究风电齿轮箱在外部变载荷激励及内部动态激励下的振动响应等动态特性，为风电齿轮箱系统动态性能优化提供理论依据。1齿轮箱系统耦合非线性动力学模型把一对齿轮副简化为图1所示的振动系统，则一对齿轮的非线性动力学方程可表示为口叫项目基金：中国博士后科学基金资助项目(No.:201(X)471443),重庆大学机械传动国家車点实验室开放课«W(No.:SKLMT-KFKT-200906)o作者简介：魏静(通讯作者)，男,1978年10月出生，博上后，大连理工大学讲师.

5、主要研究方向:传动机械学、机械系统动力学E-mail：weijing@dlut.edu.cnnix+exk{t)[xxs+£(/)]=F(1)式(1)中，加为齿轮副等如质量；「为阻尼系数；k(r)为齿轮啮合刚度；£(/)为齿轮综合误差，包括•齿形误差和基节误差；£为系统外部载荷；兀为静态相对位移；为振动加速度、速度和位移。通常，齿轮啮合刚度变化越大或齿轮误差越大时，齿轮的啮合激励力也越大⑶。Fig.lVibrationmode】ofGearsystem某大型风力发电机增速箱齿轮箱传动系统原理图如图2所示。该齿轮传动系

6、统是由内齿圈驱动星型轮系、定轴轮系和一级平行轴结构组成。第一级为内齿圈乙和三个行星齿轮£八Zq、Zr组成的输入级齿轮副；第二级为行星齿轮Z”、Z”、乙处和太阳伦Z.组成的中间级齿轮副；第三级为大齿伦乙和小齿伦乙,2组成的输出级齿轮副。输入级为斜齿轮内啮合传动，中间级与输出级为斜齿轮外啮合传动。该齿轮箱系统实体模型及内部齿轮系统实体模型如图3、4所示。Fig.2Thediagramofgearboxtransmission图3两级星型斜齿轮传动系统动力学计算模型Fig.3Thesystemdynamicscomputa

7、tionmodule在不考虑箱体弹性变形条件下，仅仅考虑风电齿轮箱齿轮系统的质量、刚度和阻尼影响，根据图1所示的齿轮系统振动模型建立的风电齿轮箱前两级星型斜齿轮系统动力学分析模型如图3所示。由于风力发电齿轮箱系统是质量、刚度和阻尼连续分布的弹性结构系统，其儿何形状和边界条件十分复杂，在图3所示的分析模型中，如果再综合考虑输出级一对斜齿轮的振动以及齿轮箱箱体的柔性特性、内部激励及外部激励等非线性因素影响，建立的系统模型将十分复杂,使用传统数值解析法对其进行推导计算是非常困难的。有限元方法作为现代求解方法，将齿轮传动系统

8、动力学模型的构建和推导分析相结合，可极大地提高求解效率［⑶。图3齿轮箱系统实体模型Fig.3Solidmodelofgearbox图4齿轮箱内部传动系统实体模型Fig.4Internaltransmissionsolidmodelofgearbox建立齿轮箱系统的有限元耦合分析模型是利用有限元方法对风电齿轮箱进行动态分析的前提。考虑到风电齿轮箱