兆瓦级风电增速箱复杂多变冲击载荷抑制与载荷分流机理的研究

我国风电设备制造业近年来实现了快速发展。风电机型功率越大，经济效益、风能利用率越高。兆瓦级风电机组已经成为主流机型。齿轮箱是国内外风力发电机组故障率最高的部件之一，有的风场齿轮箱损坏率高达40％～50％，个别品牌机组齿轮箱更换率接近100％。齿轮箱的故障率高，与载荷情况复杂、风速不稳定、冲击载荷等因素密切相关。瞬时的冲击载荷将可能大大超过额定载荷。冲击载荷是导致齿轮早期点蚀、轴承早期损坏等故障的重要根源。本项目旨在研究降低冲击载荷对风电增速箱的影响，提高齿轮与轴承工作寿命和可靠性。研究注入弹性与阻尼, 形成附加自由度, 降低冲击载荷对风电增速箱影响的机理。研究通过载荷输入分流、冲击力传递路径分散，提高增速箱齿轮、轴承等承载能力的机理。基于一特殊有限元方法，进行风电增速箱的动力学建模与动态特性分析。发展适合兆瓦级的新一代风电增速箱传动原理，为开发具有自主知识产权的风电增速箱奠定理论基础。

行星齿轮传动广泛的应用在风力发电机传动系统，具有结构紧凑，体积小、传动效率高和传动比大等优点。齿轮箱是风力发电设备的关键部件，主要用于增速传动，其承受的载荷非常复杂，是风力发电机组故障率最高的部件之一。为了降低齿轮箱的故障率，提高其工作寿命和可靠性，有必要对行星齿轮传动的动态性能进行深入研究。. 本项目提出了新型的基于载荷分流的风电增速箱行星齿轮传动机理。以载荷分流式耦合传动系统为研究对象，采用集中参数法，建立了该行星齿轮传动系统的平移扭转耦合动力学模型，基于第二类Lagrange方程推导了行星齿轮传动系统的动力学微分方程。利用该行星齿轮传动系统的有关物理参数求解了该系统的特征方程，研究了载荷分流式行星齿轮传动系统的固有特性。根据振型图的特点归纳总结出了该传动系统五种典型振动模式，即刚体振动模式，扭转振动模式，平移振动模式，第一级行星轮振动模式及第二级行星轮振动模式。. 应用三维CAD软件建立了载荷分流式行星传动系统的三维实体模型，根据有限元理论建立了该传动系统的第一级行星齿轮副的有限元模型。根据非线性接触理论和显式动力学理论，对行星齿轮副的瞬态啮合过程进行了有限元仿真研究，获得了在啮合过程中行星齿轮副的太阳轮、行星轮和内齿圈的啮合面和非啮合面的齿根应力随时间变化的散点图。研究表明行星齿轮副的啮合面和非啮合面齿根的各个测点在时间上的等效应力具有相似的变化趋势；在瞬态啮合的过程中，外啮合太阳轮、外啮合行星轮、内啮合行星轮及内啮合内齿圈的非啮合面齿根处的最大等效应力要大于啮合面齿根处的最大等效应力。.由于齿侧间隙属于强非线性因素，多尺度法不能直接应用于齿轮系统非线性动力学模型求解。我们通过分析时变啮合刚度和齿侧间隙两类非线性因素的特点，推导了包含两类非线性因素的综合表达式，使多尺度法能合理应用于两级封闭式行星系统非线性模型，并且以此推导了系统主共振幅值的近似解析表达式。对系统相对啮合相位关系进行了深入的研究，推导了任意两对齿轮副的相对啮合相位。基于多尺度近似解析解表达式，揭示了相对啮合相位振动特性的影响规律。. 本基金的研究，有助于提高风电装备技术的水平，降低增速箱的故障率，降低风能利用的成本。