高动载、大传动比风电增速箱能量空间分布特性及其对疲劳裂纹扩展的影响规律

Large-scale and long-life are the development trends of global wind turbine equipment and common technical challenges in this industry. Gearbox is one of the key components which causes longest downtime and greatest loss of wind turbine. Taking wind turbine gearbox as the studying object, the dynamic behavior of gearbox is researched under non-stationary and multi-source loading condition, combining with the structure characteristic of large transmission ratio. The study on rattling vibration formation mechanism under multivariate synergy such as internal incentive and external incentive and its influence on fatigue crack growth mechanism is an emphasis. Then, energy transfer law and energy loss mechanism are explored based on the study of macroscopic dynamic response. Next, energy space distribution characteristic is analyzed to explore its influence on key structural damage. Finally, fatigue crack growth mechanism of typical surface is revealed, and optimization design method of gearbox with the characteristic of high dynamic load and large transmission ratio is put forward. The research will provide theoretical support for the design development of high-power wind turbine equipment.

"大型化和长寿命"是全球风电装备制造的发展趋势，也是行业共同面临的技术挑战。增速箱是引起风电装备停机时间最长、损失最大的关键部件之一。本项目以风电装备增速箱为研究对象，结合其高动载的工况和大传动比增速传动的结构特征，研究非平稳多源载荷下增速箱的动力学行为，重点研究增速齿轮箱内部激励、外部激励等多变量协同作用下的拍击振动形成机制及其对疲劳裂纹扩展的影响规律；在增速箱宏观动力学响应研究基础上，研究增速箱能量传递规律、损耗机理，确定能量空间分布特性，探索增速箱齿轮、轴承等关键零件上能量分布与关键结构损伤之间的影响关系，形成增速箱关键零件典型表面疲劳裂纹的扩展机制，提出高动载、大传动比增速箱优化设计方法，为我国大功率风电装备的设计开发提供理论支撑。

本项目以风机增速箱为研究对象，通过风机传动链多体动力学模型获取了随风条件下增速箱边界条件，建立增速箱传动模型并分析了各级齿轮系统动力学行为，结合高动载工况和增速传动的结构特征，研究了非平稳重载下增速箱高速轮系拍击振动形成机制；基于增速箱的空间结构与服役条件，建立了齿轮能量传递模型，结合增速传动动力学模型、弹流润滑模型和碰撞模型，分析了摩擦损失与碰撞动能损失的增速传动能量损耗；基于能量传递模型，提出了以特征能量和能量增量综合表征的评估指标，分析了拍击对于高速轮系齿面点蚀疲劳裂纹扩展的影响，以及行星轮内表面微动磨损与疲劳失效裂纹扩展规律；结合高动载工况、高速端齿轮结构以及行星轮的过盈接触特性，基于建立的能量寿命预测模型和行星轮内接触面抗滑移能量阈值，提出了严控装配误差、调整关键参数以提升齿面抗点蚀疲劳与行星轮内表面抗微动滑移性能的优化准则；基于增速箱动力学模型和齿轮传递能量模型，提出了增速传动系统能效评估方法，进而结合疲劳损伤模型，建立了设计参量与不确定因素对性能参数映射关系建立，提出了考虑鲁棒性的多目标多属性增速箱优化方法；搭建高速轮系缩尺实验平台，开展了装配误差、载荷波动等条件下的齿轮传动动态性能研究，验证了多变量协同作用下的拍击形成机制。本研究有助于提升风机增速箱制造的自主设计能力，提高风机增速箱可靠性和服役寿命从而实现较大的节能节材料，以及降低风机增速箱的维护成本。