基于抑制行星排偏载新方法的大功率风电增速箱多级齿轮传动设计研究

The wind power industry in China is flourishing in recent years. The transmission failure of wind power speed-increase gearbox has become increasing prominent and turns out to be a main factor to restrict the operation reliability of wind turbines in our country. The transmission system is a typical multistage planetary gear train of speed-increase gearbox for high-power wind turbine. The loads of planet gear train are shared unequally, which can easily cause unbalance loading transmission. The unbalance loading of the planetary gear train is an important factor to cause the failure of wind power speed-increase gearbox. This project aims to suppress the influence of unbalance loading on the wind turbine gearbox, prolong the service life of bearing and gear, and improve the operation reliability of wind power generators. A new method of suppressing unbalance loading of planetary gear train will be studied by using planetary gear train coexisting with unidirectional and bidirectional torque. The application of hypergraph theory to the design of gear transmissions will be extended. Design Approach for multistage planetary gear train of speed-increase gearbox for high-power wind turbine will be established based on the concept of the load sharing mechanism. A dynamics model of planetary gear train coexisting with unidirectional and bidirectional torque will be studied. A dynamics model of multi-stage gears transmission system for wind turbine gearbox will be built and the dynamic characteristic will be analyzed. The outcome of this project will provide theories and technologies for the development of new speed-increase gearbox for high-power wind turbine, reduce transmission failure, and improve reliability and performance of multi-stage gears transmission system.

在我国风电迅猛发展的同时，风电增速箱的传动故障问题日益突出，已成为制约我国风电机组可靠运行的重要问题。大功率风电增速箱是典型的多级齿轮传动，行星排各行星轮分担和传递的载荷不均，容易发生“偏载”传动。行星排偏载是导致风电增速箱故障率高的重要影响因素。本项目旨在研究抑制行星排的偏载对大功率风电增速箱的影响，延长轴承和齿轮的服役寿命，提高风电机组运行的可靠性。研究通过受单向扭矩的行星齿轮组和受双向扭矩的行星齿轮组来共同实现均载，减少轮齿间载荷的频繁波动，抑制行星排偏载的新方法；研究拓展超图理论在齿轮传动设计中的应用，基于扭矩单双向共存均载理念，探究大功率风电增速箱多级齿轮传动设计理论；建立扭矩单双向共存行星排动力学模型，进行风电增速箱多级齿轮传动系统的动力学建模与动态特性分析。本课题的研究将为新一代大功率、低故障、高可靠性风电增速箱的研发提供理论基础和技术支持。

近年来，我国风能发电产业获得了飞速的发展，风力发电装备正向大型化方向发展。为了解决风电齿轮箱故障率高，可靠性差，服役寿命短等问题，需要对行星排的偏载抑制方法和多级齿轮传动系统的设计理论进行研究。本项目围绕着基于图论法的大功率风电增速箱多级行星齿轮传动设计理论、风电增速箱多级齿轮传动的均载性能、抑制大功率风电增速箱行星排偏载的新方法及仿真试验等方面进行了研究。主要研究内容与成果包括：1）基于拓扑学中图论法，根据行星齿轮机构的特点，提出了能够完整地反映行星齿轮传动机构整体结构特征、运动特性以及构件区分度明确的图形符号表示方法；2）提出了基于邻接矩阵的多级行星齿轮传动机构图形化的构型方法，并将其应用于多级行星齿轮机构构型设计中；3）提出了基于图形符号的大功率风电增速箱多级行星传动设计的同构判别方法，验证了该方法的有效性，并将该方法应用于大功率风电增速箱多级行星传动同构判别设计中；4）提出了基于图形符号表达的行星轮系运动拓扑模型及运动学分析方法，将该方法应用抑制行星排偏载的传动机构的运动学分析中，并验证了该方法的有效性；5）建立了风电增速箱多级行星齿轮传动系统的动力学模型，对变风载下风电增速箱多级行星齿轮传动系统的均载特性进行了研究；6）提出了抑制行星排偏载的新方法，将其应用于大功率风电增速多级行星传动系统中，并仿真分析了其抑制偏载的效果。在本项目的支持下，发表学术论文8篇，其中SCI/EI检索6篇，出版学术专著1部，授权发明专利1项，申请发明专利3项，授权实用新型专利4项。本项目的研究对大功率风电增速箱多级行星齿轮传动系统的创新设计和大功率风电增速箱行星排偏载抑制具有重要的意义，对指导大功率风电增速箱的主动设计和提高风电机组的可靠运行具有重要的应用价值。