风电机组齿轮箱固有频率啮合频率共振Romax震动性分析报告.doc

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1、风电机组齿轮箱固有频率啮合频率共振Romax震动性分析报告第1章绪论1.1选题背景和意义在人类越来越渴望清洁能源和环保能源的大时代背景下，风电作为一种新兴的清洁能源，受到全世界人类的广泛关注。美国，德国，日本等国家都在积极地研究风电这一清洁、高效的发电方式。在中国，风电也在蓬勃发展，金风，华锐，明阳这些企业已经走在了科研的前列，而汽轮机厂，华能也新建了风电厂。从九十年代到2007年，我国风电机组装机总容量已超过560万kW，风电机组共计6469台，分布在全国22个省、市和自治区。目前已装机的风电机组中，大部分采用的是水平轴结构，并采用齿轮箱作为风轮与

2、发电机之间的传动部件。齿轮箱负责将风轮叶片的低转速转换为发电机所需要的高转速，实现能量与扭矩的高效传输。因此，齿轮箱是风电机组中最重要的传动部件。风电齿轮箱具有质量大、重心高等特点，随着风电机组装机容量的不断增大，轮毂高度逐渐增加，齿轮箱受力变得复杂化，这就造成有些齿轮箱可能在设计上存在缺陷。一般风电机组都安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间，一旦出现故障，修复非常困难。由于齿轮箱长期处于这样的恶劣条件下，会出现粘附

3、磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、微动磨损和气蚀等失效形式，轻则导致润滑油失效，重则轴、轴承、轮齿的断裂，导致风电机组的停机[5]。在变速变载这样的情况下，还会出现轮齿折断、齿面点蚀等的情况。根据国际上有关机构对25台实际运行机组在3个月时间段的故障统计，机组各部件故障造成发电量损失见图1，齿轮箱是风电机组中故障率最高的部件，其主要失效形式为轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形[6]。图1-1风电机组故障所造成的发电量损失估计上述齿轮箱失效形式主要由风电机组所承受的变速、变载的复杂作用力引起，其故障特点皆可通过齿轮箱的振动信息表征出来。因

4、此，分析大型风电机组齿轮箱的振动特点，对于判断零件的失效原因，明确故障部位，并对齿轮箱进行优化设计具有指导意义。1.2国外研究现状1.2.1国外研究现状由于人类认识到风能是清洁、可再生能源，因此世界的风力发电工业正以不同的方式提高风力发电的经济性，各国的公司也都在想方设法提高现有的技术水平，选择最优秀的设计方案。对振动特性的研究和应用，美国、德国已经走在了世界的前列。在国外，已经把齿轮的振动和噪声问题作为评价一个齿轮装置好坏的重要因素[7]。齿轮的振动和噪声问题这个问题引起了世界围的广泛关注。而对齿轮箱的振动模型的建立及其仿真系统已经在德、美这些发达

5、国家中指导并应用在风力的发电当中了，对于齿轮箱的固有频率和啮合频率的研究已经处于世界前沿，使用了如有限元法、使用计算机软件等有效的手段，对影响齿轮箱振动的因素分析比较透彻，并能有效地减小这些影响因素，从而为风电机组齿轮箱的故障分析和判断提供了非常好的平台。1.2.2国研究现状国由于风力发电机行业本身起步较晚，很多风电技术还不成熟，处于探索阶段。对于齿轮箱振动特性的分析还处于起步状态，在国风力发电机上的运用还比较少。目前我国还没有相关的振动标准，对整个齿轮箱系统模型进行了模态分析和动态响应分析，得出了齿轮箱的固有特性和箱体表面的振动响应曲线，而对成果的

6、检验和应用还没有完善的技术。但是我们国家已经有企业致力于这方面的研究，通过建立各种模型，对轮齿进行受力分析，在变速变载的情况下研究振动特性，分析各种型号的固有频率、啮合频率等等已经有了很大的进步了.我国很多企业引进国外成熟技术，吸收消化，以提高国产化机组的制造技术。采用与国外公司合作生产的方式引进技术，并允许国外风电机组制造厂商在我国投资设厂。国有关的风电机组制造、生产企业，已研制出、1．5Mw机组的关键部件，如齿轮箱和叶片等，并且750Kw的机组其本地化率已达到90％,还有如千鹏公司，建立了该齿轮箱的直齿圆柱齿轮三维接触有限元模型和整个齿轮箱系统有

7、限元模型，对直齿圆柱齿轮进行了接触分析，得到了直齿圆柱齿轮的综合啮合刚度激励，同时对整个齿轮箱系统模型进行了模态分析和动态响应分析，得出了齿轮箱的固有特性和箱体表面的振动响应曲线。通过齿轮箱声压和声强实验，预测了该齿轮箱噪声值，且验证了有限元分析的有效性和准确性。而在应用这方面国家也正在不遗余力地研究，相信在十年之，我国的风电技术会引领世界[8]。1.3本文工作齿轮箱是风电机组主传动系统最主要的振动部位，本文对风电机组齿轮箱的振动特性进行深入研究，分析齿轮箱各级齿轮的固有频率与啮合频率之间的关系，主要研究容如下：(1)分析风电机组齿轮箱的机械结构振动

8、问题作了一些介绍,然后对齿轮箱的重要性,产生故障的原因,故障的类型等等作了一些详尽的阐述。(2)在变速变载的