风力机传动链多体系统动力学建模方法研究.pdf

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1、第31卷第2期应用力学学报Vol-31NO．22014年4月CHINESEJoURNALoFAPPLIEDMECHANICSApr．2014文章编号：1000—4939(2014102—0218—06风力机传动链多体系统动力学建模方法研究刘宏，2赵荣珍1,2郑玉巧1,2(1兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室730050兰州；2兰州理工大学机电工程学院730050兰州)摘要：以兆瓦级水平轴风力发电机纽传动系统为研究对象，基于多体系统建模理论和集中参数法建立了精细的传动系统动力学模型。将传动系统分解成若

2、干子系统，并进一步细化传动系统内部结构；根据子系统动力学模型和边界条件综合得到了传动系统的动力学方程；通过Matlab／Simulink构建相应的仿真模型，并应用其对1．5MW风力机传动链进行了仿真计算。结果表明：考虑齿轮箱各部件的柔性后，传动系统关键部件的振动出现较大范围的波动，且增加了机组总传动比的不稳定性。最后将仿真结果与多体系统动力学软件Adams建立的传动系统虚拟样机运行结果进行了比较，两者振动位移变化关系基本相同，验证了本文模型的有效性。此建模方法为实验室模拟风力发电系统和机组部件的优化设计提供了理论依据。

3、关键词：风电机组；传动链；多体系统；动力学模型；仿真中图分类号：TH132文献标识码：ADOI：10．11776／~am．31．02．C017学建模和分析主要是从风轮空气动力载荷和并网时1引言的电网负载给风力机传动系统施加的机械载荷方面展开研究，所以风力机传动系统的模型一般被简化传动系统作为风力发电机组系统的重要组成为很少的自由度。典型的风电机组传动系统只等效部分，其综合动态性能的好坏将直接影响整个风电为2质量块模型[2-3域3质量块模型【2’4]，模型对于系统的性能。随着当今风力发电机向高空化、柔性齿轮箱内部结构过于

4、简化而未能考虑齿轮箱中各部化、结构更优化的方向发展，整机动态特性变得更件的动力学特性【5。，无从提取各独立部件上的动态加复杂，促使人们在风电系统分析模型、性能研究载荷，这就意味着在传动系统内部各部件f如齿轮和等方面进行更深入地研究Ll并扩展到更广泛的领轴承)的设计上需要更加繁琐的分析过程。另外，在域。因此，研究一种完整、准确的风力机传动系统机组运行过程中传动系统内部各部件既存在低频振动力学建模方法对研制具有良好动态特性的风电设动信号，也存在高频振动信号；如果振动频率耦合，备具有重要的理论价值和实际工程意义。则会产生明显

5、的噪声干扰并严重影响整个传动系统国内对风力发电机传动系统建模给予了一定和整机的寿命J，因此需要更深入地分析传动系统的关注，但还不充分，主要由于建模不准确，导致内部结构，较全面地考虑风力发电机传动系统的动振动仿真结果失真，从而不能准确指导实际风力机态特性。的运行。目前，对于风力发电机主传动系统的动力本文将多体系统动力学原理应用于风力发电机基金项目：国家自然科学基金(51165019~50875118)收稿日期：2013．04—26修回日期：2013．07—12第一作者简介：刘宏，男，1986年生，兰卅I理工大学，博士生；

6、研究方向——风力发电机多体系统动力学。E—mail：hongliu2006@163．corn第2期刘宏，等：风力机传动链多体系动力学建模方法研究2l9组动力学分析中。为考虑传动系统更多部件动态特式中：q，为广义坐标；Q为第个广义坐标的广义性，将传动系统内部结构进行细化，使计算结果与一力。系统的势能由轴扭转变形势能和啮合齿轮副些简化的数学模型相比更为精确，从而更深入全面地变形势能两部分组成，即U=Uo+Uo。系统的分析传动系统内部结构及整个传动链的动态特性。动能E，即各部件动能的总和为=+专+吾+寻(+)+2风力机多体动

7、力学建模理论++‘，1+++多体系统是指若干物体通过一系列几何约束连接起来完成预期动作的一个整体。若不计系统中1"2l√+Jg"2(2)各结构的变形，则系统称为多刚体系统；如果必须计及某些结构的变形，则称为多柔体系统J。水平3动力学模型的建立轴风力机结构如图1所示。传动系统包含一个三级齿轮箱(两级平行轴和一级行星轮)，可以通过由刚3．1动力学模型体和柔体组成的系统模型来描述。已有研究结果【l0】表明：如果将各组成部件均等效为刚体，则不能全1．5MW水平轴风力发电机组传动链的结构简面反应传动链非线性耦合振动特性。图如图2

8、所示，其中齿轮箱采用一级行星轮和两级平行轴齿轮传动。行星级动力由行星架输入、太阳轮输出；采用内齿圈固定的结构形式，并用3个行星轮承担载荷。图1水平轴风力机整机结构图Fig．1Thesn1lcnlrediagramofhorizontalaxiswindturbine图2传动链系统结构简图Fig2Schematicsketchofd