风电齿轮传动系统基于刚柔耦合特性分析的装配误差传递与质量评估研究

Due to the typical rigid-flex coupling property of wind turbine driveline, the synergistic interaction between assembly error and part damage under cyclic loading, is a main reason of wind turbine gearbox failure. Currently, assembly technology has become a neckbottom for Chinese makers in developing new MW class,longer life and more reliabile wind turbine equpiment.To face the challenges in the assembly of wind turbine gearbox,with the assembly process modeling of rigid-felx coupling structure,all key topics including integrated geometric-physical process analysis,3D assembly tolerance stackup,representation and modeling of multi-steps assembly process, descripiton of multi-factors assembly quality, integration of tolerance and performance, are studied in detail. And on the basis of those achievements, a completed methodology on 3D multi-step assembly tolerance stackup and assembly qulaity evaluation of wind turbine gearbox is presented, which will serve for the assembly technical development of new generation wind turbine gearbox in China..

受系统的典型刚柔耦合特性的影响，交变载荷下装配误差与零件损伤之间的交互加剧是导致风电齿轮传动系统失效的重要技术根源。装配质量不足已经成为制约我国大型化、长寿命、高可靠性风电装备制造技术发展的显著瓶颈因素。针对当前本土主力研发的大型双馈式风电设备的齿轮箱设计制造中的迫切问题，以复杂刚柔耦合结构的装配过程建模为主线，从几何-物理过程一体化协同分析的角度出发，围绕着装配误差特征的多维描述与三维传递、多工序装配过程的动态建模、装配质量的多元表征、误差与性能一体化分析等关键点，系统研究了大型风电齿轮箱装配过程中的误差传递规律及装配质量的形成机理问题；在此基础上，提出刚柔耦合结构的多工序装配误差传递过程建模分析与装配质量评估控制的完整方法，为我国大型风电装备传动系统的装配工艺技术发展提供有力的支撑。

围绕着国家新一代“大型化、长服役周期、高可靠性”风电装备制造技术发展的迫切需求，将对大型风电机组故障影响最显著的传动系统作为切入点，重在揭示复杂载荷条件下具有典型刚柔耦合特性的复杂传动结构的装配误差与关键零部件的损伤之间的交互影响规律。系统组织了针对国产1.5MW大型风电机组的技术性能及关键零部件可靠性问题的现场技术调查工作，以第一手资料为基础，从当前大型风电齿轮箱的失效问题及其特征、关键传动零部件的设计制造技术及其对零部件失效过程的影响两个方面，系统归纳了大型风电齿轮传动系统关键零部件在复杂载荷条件下的失效规律以及制造技术、工艺参数对其性能的内在影响作用。以风电增速齿轮传动系统高速级（HSS）关键传动零部件为主要对象，建立了其装配误差的三维传递及累积模型，重点研究了在复杂载荷条件下具有典型刚柔耦合特性的高速传动结构关键装配误差的动态变化特性，揭示出在传动过程中，高速传动结构内部的载荷（应力）分布/关键传动误差之间的耦合作用及其交互加剧作用，阐明了复杂载荷条件下高速传动结构的装配质量退化以及损伤逐步积累乃至失效的基本规律。启动了风电传动链运行模拟（联合）试验环境的建设工作，研制出实验室级缩尺度风电传动链的关键零部件运行模拟试验装置，通过高速传动级模拟运行实验研究，验证了理论模型并进一步揭示出影响国产风电机组的技术性能及关键零部件可靠性的一个关键因素就在于零部件部件（齿轮、轴承等）的加工及装配精度的一致性和稳定性不足，从而恶劣外载的作用会显著加剧系统的变形和偏心等误差，诱发零件失效。在此基础上，有针对性地提出了提升高速传动级的结构可靠性、优化系统结构并控制关键工艺变量，开展装配质量评估控制的科学方法。课题研究过程中，已经在国内外学术期刊及知名国际会议上发表学术论文11篇，其中SCI期刊论文5篇，申请国家发明专利4项（已经授权2项）。这些研究工作，为我国大型风电装备传动系统的先进制造装配工艺技术发展及关键技术人才培养提供了有力的支撑。