基于动力学的风力机齿轮传动系统可靠性研究

为正确评估齿轮传动系统齿面接触疲劳寿命,以2 MW风力发电机齿轮传动系统为研究对象,引入风场风速变化规律并选用weibull分布建立随机风速模型。考虑外部风载以及由齿轮、轴承刚度等引起的内部载荷激励,建立行星齿轮传动系统平移-扭转动力学模型,求得传动系统各齿轮副动态啮合力并计算相应的应力历程。针对齿轮传动强度及受载随机性的特点,以轮齿的强度退化表征疲劳效应,基于非线性疲劳损伤累积理论建立剩余强度模型,在传统应力-强度干涉理论的基础上,得到随机风载作用下齿轮传动系统动态可靠度功能函数,通过摄动法对零部件的动态可靠度变化曲线进行描述。结果表明：在强度退化和随机载荷联合作用下,风力机系统各齿轮疲劳可靠度随服役时间出现逐渐下降的趋势,且服役前期可靠度下降趋势较快,中后期下降趋势逐渐减缓,强度退化形式及载荷大小影响着可靠度的变化趋势。该模型反映了齿轮传动系统可靠度随服役时间的变化规律,为产品的可靠性设计及疲劳寿命预测提供了参考。     

随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统疲劳寿命预测

针对风电齿轮传动系统在复杂随机风载下运行的特点,运用加权最小二乘支持向量机(Weight Sparse Least Squares Support Vector Machines,SLS-SVM)方法建立风场随机风速模型,进而得到随机风引起的系统外部载荷激励。建立考虑齿轮时变啮合刚度、综合啮合误差、滚动轴承变刚度的风电齿轮传动系统的平移-扭转动力学模型,求得传动系统各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力及相应的应力时间历程。应用雨流计数法统计循环参量,结合Goodman公式将工作循环应力水平按等寿命原则转换为对称循环下的疲劳应力谱。基于Palmgren-Miner线性累积损伤法则和材料P-S-N(失效概率-应力-循环次数)曲线,预测风电齿轮传动系统各齿轮和轴承的疲劳寿命。为风力发电机齿轮传动系统动态疲劳寿命预测提供了理论方法。     

变风况下风电齿轮箱疲劳损伤评估研究

风电齿轮箱疲劳损伤的量化是风力发电机齿轮箱设计及工程应用中亟需解决的关键问题。文章通过建立齿轮箱多体动力学模型,在考虑齿轮箱外部和内部激励条件下,使用线性疲劳损伤理论,对其在不同风况下的10 min疲劳损伤进行了研究。结果表明,在相同风况下太阳轮的短期疲劳损伤最高,齿轮的短期疲劳损伤随着短期平均风速的增大而增加。基于该评估结果,提出了一种基于SCADA风速统计数据,对风电齿轮箱齿轮长期疲劳损伤进行的评估方法。该方法可以对风电齿轮箱的长期疲劳损伤做出初步的估算,其结果对校核齿轮箱在设计寿命内的机械参数亦具有一定参考价值。     

计入线外啮合的风电齿轮动力学行为分析

为探究线外啮合对齿轮传动动态服役行为的影响规律,以一对风电高速级齿轮为例,基于齿轮啮合原理和冲击动力学理论计算不同负载和转速下线外啮入冲击力和时变啮合刚度。采用集中参数法建立计入线外啮合的直齿传动非线性动力学模型,数值求解不同激励下系统的动态特性。结果表明：在不同运行转速区,啮合冲击与啮合刚度对系统动态响应的贡献各不相同。在共振区,时变啮合刚度成为系统的主导激励;在超临界区,系统动载荷随转速升高而增大,这主要来源于啮合冲击的激励作用。     

表面硬化滚道风电主轴轴承的疲劳寿命分析

建立一种针对表面硬化滚道三排圆柱滚子风电主轴轴承的疲劳寿命分析方法。首先,在卡迪尔坐标系中建立三排圆柱滚子风电主轴轴承的5自由度力学模型,分析计算在外部5个方向载荷联合作用下轴承的内部滚子载荷分布;然后,建立圆柱滚子与表面硬化滚道之间的弹塑性接触有限元模型,计算得到滚子接触载荷作用下滚道次表面的脉动应力分布;最后,根据Goodman方程将滚道脉动应力幅值转化为交变应力幅值,运用Basquin应力-寿命理论计算得到风电主轴轴承的疲劳寿命。结果表明,轴承的下风向外圈滚道承受来自风轮的推力载荷,其疲劳寿命最短;径向外圈滚道承受风轮的重力载荷,其疲劳寿命最长。轴承的疲劳寿命取决于下风向滚道。     

风电机组中两级齿轮传动系统动态温度响应与实验研究

为研究风电机组齿轮传动系统的动态温度场分布特性,以SQI风电机组传动系统实验平台中两级定轴齿轮箱为研究对象,综合考虑齿轮时变啮合刚度和轴承时变刚度对系统影响,采用有限元法并计入轴系柔性建立两级平行轴齿轮箱的齿轮-轴-轴承耦合系统动力学模型.依据传热学原理对热传导,对流换热等参数进行分析,运用有限元法对系统动态温度场进行...     

考虑载荷和参数随机性的风电齿轮传动系统动力可靠性研究

建立风电齿轮传动系统的动力学模型,考虑风载和齿轮系统设计参数的随机性,利用随机抽样法和Runge-Kutta法求解系统的动态响应,经统计分析得到各齿轮传动件动态啮合力的统计特征。根据雨流计数原理,将各齿轮传动件动态啮合力的时间历程转化为一系列变幅疲劳载荷谱,采用Geber二次曲线等效方法计算得到相应的等效应力幅值和频次。应用概率疲劳累计损伤理论,建立风电传动系统及其齿轮传动件的动力可靠度模型。计算得到各参数随机变异时系统动力可靠度随时间的变化规律,分析参数随机性对齿轮传动件动力可靠度的影响,并将计算结果与Monte-Carlo法的计算结果进行对比,为风电齿轮传动系统基于动力可靠度的优化设计提供了参考。     

风波联合作用下的风力机塔架疲劳特性分析

研究了海上风力机圆筒型塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法;建立了基于Palmgren Miner线性累积损伤法则的混泥土塔架安全寿命估计方法.应用线性波理论仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒型塔架上的波浪载荷.通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,建立了波浪力的分析计算模型;用有限元数值分析方法,求解了塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等;用雨流计数法统计循环参量,将工作循环应力水平等寿命转换成对称循环下疲劳载荷谱,分析了变幅载荷谱下塔架的疲劳损伤及疲劳寿命.算例表明:该文的工作为海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法.     

基于虚拟仪器的风电机组疲劳载荷测试系统

介了大型水平轴风力发电机组机械部件的疲劳载荷测试和寿命预测.设计、识别、计算、评估了疲劳载荷测试系统的载荷发生过程和数据处理过程.阐述了基于虚拟仪器技术的载荷数据采集和处理过程的工作状况.根据线性疲劳损伤相关理论和材料的疲劳载荷谱以及应力.寿命曲线得到了风力发电机组叶片和塔架的实测数据的寿命估计值.     

RESEARCH ON ANALYSIS APPROACH OF STRENGTH AND FATIGUE LIFE OF HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE HUB

针对水平轴风力机轮毂复杂的几何外形、载荷与边界条件,研究其强度和疲劳寿命数值分析方法.应用结构分析软件ANSYS并结合疲劳分析软件FE-safe对风力机轮毂进行强度和多轴疲劳寿命分析.研究了风力机轮毂结构强度数值分析中的一些关键技术问题,如网格划分、载荷施加、边界约束条件的处理及分析技巧等;利用叶片根部极限载荷对轮毂进行强度校核,得出轮毂极限载荷下的应力分布.基于风力机叶片根部随机载荷谱和线性累积损伤方法,研究了轮毂多轴疲劳特性及疲劳寿命分析方法;研究了轮毂材料的S-N曲线定义和各工况下随机载荷谱的分析处理方法.算例表明:本文的工作为水平轴风力机轮毂强度、刚度及多轴疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法.     

水平轴风力机轮毂强度和疲劳寿命分析方法研究

针对水平轴风力机轮毂复杂的几何外形、载荷与边界条件,研究其强度和疲劳寿命数值分析方法。应用结构分析软件ANSYS并结合疲劳分析软件FE-safe对风力机轮毂进行强度和多轴疲劳寿命分析。研究了风力机轮毂结构强度数值分析中的一些关键技术问题,如网格划分、载荷施加、边界约束条件的处理及分析技巧等;利用叶片根部极限载荷对轮毂进行强度校核,得出轮毂极限载荷下的应力分布。基于风力机叶片根部随机载荷谱和线性累积损伤方法,研究了轮毂多轴疲劳特性及疲劳寿命分析方法;研究了轮毂材料的S-N曲线定义和各工况下随机载荷谱的分析处理方法。算例表明:本文的工作为水平轴风力机轮毂强度、刚度及多轴疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法。     

船用分扭人字齿轮传动系统振动能量与疲劳寿命研究

为了分析齿轮传动系统引起噪声的原因,实现依据疲劳寿命对传动系统的振动进行控制,建立齿轮系统中振动能量与疲劳寿命的关系。针对船用分扭人字齿轮传动系统,运用集中参数法建立了分扭传动系统的弯扭轴耦合振动的动力学模型和方程,考虑齿轮静态综合传动误差、安装制造误差和时变啮合刚度等因素,采用数值积分法计算了不同输入转速和输入功率下系统振动能量和齿轮疲劳寿命,对振动能量和齿轮疲劳寿命数据进行了分析处理,获得了传动系统的疲劳寿命随振动能量的变化规律。结果表明：随着振动能量的增加,齿轮的疲劳寿命呈指数型急剧下降;分扭级的振动能量与疲劳寿命明显小于并车级的振动能量与疲劳寿命。     

多场耦合下风电机组偏航系统疲劳载荷分析

针对风电机组偏航系统在长期启停循环工作状态下容易出现疲劳损伤、减少风电机组偏航系统使用寿命的问题,文章提出了多场耦合下风电机组偏航系统疲劳载荷分析方法。建立了包含永磁同步电机动态模型、传动系统动态模型、传感器模型和随机风载荷模型的风电机组偏航系统动态模型,分析系统受到的最大瞬态冲击和等效损伤载荷。基于连续损伤理论,通过疲劳损伤演化方程,分析载荷作用下风电机组偏航系统产生的疲劳损伤。根据风电机组偏航系统相关参数,设置3个测试点,分析不同方法的载荷、塑性应变以及疲劳损伤。结果表明,所提方法具有较高的分析精度,与实际风电机组偏航系统疲劳损伤相符,能够保障风电机组偏航系统运行的安全性。     

风电齿轮传动系统弹流润滑特性研究

为研究风电机组齿轮传动系统的润滑特性和动力学特性,以SQI风电机组传动系统实验平台中两级定轴齿轮箱为研究对象,综合考虑齿轮油膜刚度、齿轮啮合刚度以及轴承时变刚度等,计入轴的柔性并采用有限元法建立多自由度渐开线直齿轮动力学模型,利用Newmark 积分方法求解多源时变激励下两级齿轮传动系统的动力学特性。讨论不同工况条件对油膜刚度的影响,并研究系统润滑特性、固有频率和振型的变化规律。研究结果表明,在考虑齿轮润滑效应后,齿轮啮合刚度降低,系统动态特性变化趋于敏感,系统固有特性均有所变化,其中对第11阶影响最为突出,然而在系统共振转速附近,固有特性变化趋势有所减弱。     

风电机组转盘轴承的加速疲劳寿命试验

本文从风电机组转盘轴承实际疲劳载荷等效转化、试验载荷选取、试验时间三个方面描述了一种室内风电转盘轴承的加速疲劳寿命试验方法。该方法偏于保守,满足了风电机组转盘轴承高可靠性的要求,通过实际试验验证了本方法的可行性,并提出了风电转盘轴承优化安装方法。     

基于多轴非线性连续损伤模型的汽轮机转子低周疲劳损伤分析

针对当前汽轮机转子低周疲劳损伤分析存在较大误差的问题,引入了非线性连续损伤力学理论,并结合多轴疲劳损伤的临界面原理,建立了多轴非线性连续损伤累积模型.基于该模型,结合某型船用汽轮机转子典型工况下的瞬态温度场和热应力场的弹塑性有限元分析结果,对复杂应力引起的转子低周疲劳损伤进行分析,并与等效应变法的寿命预测模型和线性损伤累积模型进行了比较.结果表明:基于临界面法的非线性连续损伤累积模型,不仅考虑了多轴复杂应力应变的大小、方向和加载的附加强化效应的影响,而且正确地反映了转子低周疲劳损伤的非线性累积过程,其分析结果更接近于工程实际.     

弹流润滑条件下柴油机曲轴的非线性损伤评估

建立曲轴-轴承系统的动力学模型,考虑非线性弹簧和弹流润滑2种轴承支撑模型,分析典型工况下的曲轴应力分布;提取疲劳危险点应力时间历程,分析应力变化与曲轴振动的关系,并利用非线性损伤模型进行曲轴寿命预测。结果表明:油膜压力对曲轴整体应力分布规律影响不大,但对局部应力峰值有明显影响;第7主轴颈圆角是曲轴的疲劳危险点,该点载荷主要受曲轴扭振的影响,将扭矩引入损伤模型,进行曲轴寿命校核。     

风力发电机齿轮箱齿根弯曲疲劳寿命仿真技术与方法研究

为了正确评估齿轮传动系统齿根弯曲疲劳寿命,以风力发电机齿轮箱为研究对象,以轮齿的线性强度退化表征疲劳效应,建立系统寿命蒙特卡洛仿真模型。模型全面考虑轮齿强度的随机特性,由轮齿转动带来的系统结构时变特性,轮齿的强度退化引起的系统抗力时变特性,齿轮传动系统失效相关特性以及各特性之间的耦合作用。在模拟载荷谱下,分析750 kW风力发电机齿轮箱传动系统疲劳寿命的分布,得到各齿轮和齿轮传动系统的寿命分布参数。     

基于ANSYS的U形波纹管热应力分析

本文基于非线性有限元理论,针对波纹管轴向刚度大,径向刚度小,能承受较大的轴向位移和一定的内、外压力的特点,采用ANSYS有限元软件首次对整体波纹管进行热-应力耦合分析,研究波纹管在交变载荷和温度场的作用下刚度与位移、应力应变情况,并预测波纹管的疲劳寿命.     

齿根裂纹对风电齿轮箱高速级动态特性影响分析及其故障模式识别

针对风电齿轮箱高速级齿轮传动系统齿根裂纹扩展程度识别难题,该文提出基于广义BP神经网络（GBPNN）的齿轮传动系统齿根裂纹故障模式识别方法。构建计及齿根裂纹扩展方向与路径的齿轮副时变啮合刚度解析模型及风电齿轮箱高速级齿轮-轴-轴承耦合的多自由度动力学模型,分析不同齿根裂纹扩展程度对系统振动特征的影响规律,并利用GBPNN对齿根裂纹故障模式进行识别。研究结果表明：齿轮故障振动周期冲击信号将沿着传动轴进行传递,但传动轴柔性会使其幅值产生明显的衰减;利用GBPNN并结合各轴段节点处振动加速度的峰值、峭度、统计矩阵参数以及方差,可有效实现对齿轮齿根裂纹故障模式的识别。