基于能量流的风电装备关键零部件疲劳可靠性设计与评价方法研究

With the rapid development of wind power industry, it is very urgent to improve the reliability of wind power equipment so as to reduce the resource and energy consumption. Taking transmission system as the studying object, the energy transferring model was built based on energy analysis, which was used to study the mapping mechanisms between failure mode and reliability and build multidimensional reliability model. Then, the reliability of system and parts were built based on the study of correlation rules between components of transmission system. Finally, Bayes method was use to build reliability model based on performance degradation analysis and real-time reliability evaluation method was studied. The above study was verified by virtual prototype simulation and field test. This research will provide theoretical and technical support for the reliability improvement during the whole lifecycle of wind equipment.

在我国风电产业飞速发展的背景下，提高风电装备的可靠性水平、减少风电产业的资源和能源消耗是目前我国风电装备产业迫切需要解决的关键问题。本项目选择风电装备的传动系统为主要研究对象，面向风电装备长寿命、高可靠的产业需求及其复杂的服役载荷特点，通过建立基于能量流分析的风电装备传动系统的能量传递模型，研究其关键零部件的失效模式与可靠性映射机制，建立能够全面其载荷历程和失效模式的多元可靠性模型，在此基础上研究风电装备传动系统各零部件之间的失效相关性规律，揭示关键零部件可靠性与系统可靠性的传递和映射规律，并进一步利用Bayes方法研究其基于性能退化数据的可靠性建模及评估方法，提出了实时可靠性建模与评价方法，最后通过虚拟样机仿真和现场试验进行验证。项目研究可为风电装备传动系统关键零部件在设计、制造和服役全生命周期内的可靠性改进和保障提供基础理论和方法支持。

风能是极具开发前景的可再生能源，已经呈现出跨越式发展趋势。作为实现风能到电能转换的载体，风电装备制造是关系国家利益和能源安全的战略性产业，目前正朝着“大型化、高可靠性及长寿命”的方向发展。但是由于核心设计制造技术的缺失，我国风电装备在远低于设计寿命期限内就会出现失效故障，其中关键部件齿轮箱的故障率更高、停机时间更长。针对风电装备的典型失效形式，本项目开展了基于能量流的风电装备关键零部件疲劳可靠性设计与评价方法研究。. 项目从能量域的角度，选择风电装备的传动系统为主要研究对象，针对高速轮系的齿面点蚀失效破坏、行星轮系的疲劳开裂这两种典型失效：1）首先开展了风电传动链的动力学行为研究，可为失效分析提供基础数据支撑；2）然后建立了能量传递模型与寿命预测近似可靠性模型，明确了失效模式与可靠性映射机制；3）建立了基于时间变量与空间分布的能量传递模型，构建接口参数、设计变量与可靠性性能保持性间的映射关系，并提出以特征能量与能量增量综合作用为指标的表征方法。在此基础上，提出了以能量为指标的疲劳寿命预测近似模型，可为失效分析与寿命评估提供方法支撑；4）以高速轮系和行星轮系为工程应用对象，基于能量传递模型分析了实际服役条件下的能量传递特性，揭示了失效破坏机理和规律。. 最后还建立了风电装备的数字化模型，搭建了风电传动系统缩尺实验平台和疲劳可靠性实验平台，并开发了相应的风电传动系统设计计算软件，并通过实际风场的风机失效案例进行了实例验证与分析。项目研究可为风电装备传动系统关键零部件在设计、制造和服役全生命周期内的可靠性改进和保障提供基础理论和方法支持。