兆瓦级风力发电增速齿轮箱的效率研究与优化.pdf

《兆瓦级风力发电增速齿轮箱的效率研究与优化.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、1万方数据2万方数据摘要论文题目：兆瓦级风力发电增速齿轮箱的效率研究与优化学科名称：机械工程研究生：梁文宏签名：指导教师：刘凯教授签名：摘要以兆瓦级（5MW～10MW）的风力发电增速齿轮箱的传动效率为研究对象，围绕齿轮箱功率损失中的搅油功率损失、卷吸功率损失、齿间啮合功率损失等进行了深入分析和研究，拟合了功率损失的数值计算公式，用实验的结果对公式进行了验证，并对兆瓦级的风电增速齿轮箱的传动效率进行了优化计算，为下一步大功率风电设备的研发提供数据和理论支持。在研究过程中主要进行了以下五个方面的工作。首先：对齿轮箱中外啮合直齿轮或斜齿轮的搅油功率损失进行了有限元分析、计算和

2、实验研究。针对单独转动的直齿轮或斜齿轮，考虑润滑油的粘性和密度，齿轮的螺旋角、模数、齿数、齿宽、转速、周边工作温度、箱体尺寸、重力加速度和润滑油浸没深度等参数的影响，以粘性流体动力学N-S方程为基础，建立了齿轮搅油的三维模型，分析了齿轮搅油功率损失的特点和形成原因。对于直齿圆柱齿轮，搅动润滑油后主要产生切向流，侧面泄漏量非常小，可以忽略齿宽的影响；对于斜齿圆柱齿轮，搅动润滑油后产生的流动具有三维流动特点，需要考虑周向流、径向流和轴向流的共同效应，该模型以轴向泵或风机的流动为参考依据。采用三维分析方法，运用有限元仿真分析对上述搅油功率损失进行了数值计算，使用与仿真参数相同

3、的实物模型对影响搅油功率损失的参数进行了多组实验验证，绘制了各参数对搅油功率损失影响的拟合曲线，比对了数值计算和实验数据的误差，并对误差产生原因和来源进行了分析。结果表明：理论分析结果和实测结果接近，搅油功率损失的拟合公式可以作为多级行星增速箱效率优化设计的理论依据。其次：对行星传动中的内齿圈与行星轮齿廓围成区域之间的卷吸功率损失进行了有限元分析、计算和实验研究。针对内齿圈固定、行星轮公转加自转的增速箱结构，考虑润滑油的粘性和密度，齿轮的压力角、模数、齿数、转速，周边工作温度、箱体尺寸，重力加速度和润滑油浸没深度等参数的影响，同样以粘性流体动力学N-S方程为基础，建立了

4、齿轮卷吸的三维模型，分析了齿轮卷吸功率损失的特点和形成原因。对内齿圈和行星轮之间由于渐开线齿廓围成的封闭或半封闭区域面积变化形成的润滑油卷吸功率损失进行了稳态理论分析和瞬态有限元仿真计算，并根据仿真计算的结果拟合了多参数影响下的卷吸功率损失计算公式。进一步，使用三种不同参数的NGW系列行星传动机构进行了实际卷I万方数据西安理工大学博士学位论文吸功率损失的测试，实测结果与拟合公式的结果基本一致。再次：研究了直齿轮、斜齿轮的瞬态齿间啮合功率损失。对于直齿外啮合或内啮合变位齿轮齿间瞬态啮合功率损失，使用粘性流体动力学的方法建立齿间弹性变形的接触线、面的正压力和摩擦力的关系式，

5、使用赫兹接触公式建立接触半宽和正压力之间的关系、使用弹性流体力学理论建立膜厚与正压力、摩擦力之间的关系式，将多参数求解转化为单参数求解，使用迭代的方法求解计算出各参数对齿间啮合效率的影响。对于斜齿外啮合或内啮合齿轮的齿间瞬态啮合损失，基本方法和思路与直齿轮相同，不同的是需要采用离散的方法将啮合线转化为具有足够精度的多个离散点，对离散点求取该点的瞬态啮合效率，再求取某条啮合线的平均效率。对于直齿内啮合或外啮合行星齿轮机构，瞬态啮合时由于行星机构齿数和行星轮个数的原因行星轮之间产生了相位差，不同的行星轮同时啮合但啮合点在啮合线上的位置不同，因此行星轮齿间啮合功率损失还要增加

6、行星轮数量、行星轮齿数和相位差之间的关系式参与迭代计算。第四：针对兆瓦级风力发电齿轮增速箱的两种常用结构型式，以效率为目标进行优化设计。在对两种增速箱进行静力学分析、运动学分析的基础上，先以传统优化方法进行了第一轮优化，计算出满足设计功率和传动比的不同齿数、行星轮个数的行星机构，进行校核后分别给出了效率最高、重量最轻、尺寸最小的前50种组合；第二轮优化将前面研究分析结果带入优化程序，考虑变位系数对直齿轮、斜齿轮瞬态齿间啮合效率的影响，考虑行星轮的相位差对齿间瞬态啮合效率的影响，考虑直齿轮、斜齿轮搅油功率损失的影响，考虑行星轮卷吸功率损失的影响，得到多参数优化后的行星轮结

7、构配比，建立其三维模型，为进一步进行运动分析、强度有限元分析提供源文件。最后：试制了一台5kW风机增速箱样机，搭建了30kW能量封闭式电加载的齿轮效率实验台，自行设计了实验原理，编写了测试软件，对样机进行效率实验、过载实验、疲劳实验、密封性实验、噪声和振动实验。将增速箱效率的测试结果与本文理论计算的效率结果进行了比对和误差的分析。实验证明：传统设计方法计算出的增速箱效率偏高，误差通常大于2%以上，虽然本文理论计算的效率结果比实测效率结果略低，但误差小于0.5%，比传统的计算方法更为准确。关键词：风力发电；增速齿轮箱；搅油损失；卷吸损失；啮