基于动力学的风电增速箱多级齿轮传动系统可靠性评估

针对风力发电机齿轮传动系统在变风速工况下失效率高的问题,在模拟真实风速的基础上,建立了考虑外部随机风载及内部轮齿时变啮合刚度、轴承时变刚度、综合传递误差等激励因素的风力发电机齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型,通过对动力学模型进行仿真计算,得到了各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力,并求得齿轮的使用系数、齿轮和轴承的载荷系数。在此基础上,建立了基于动力学的风电齿轮传动系统可靠性评估模型,并求得了各零件及传动系统的可靠度,较全面地评价了随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统的可靠性,为风力发电机齿轮传动系统可靠性设计和动态优化奠定了基础。     

随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统动态可靠性分析

运用最小二乘支持向量机(Sparse least squares support vector machines,SLS-SVM)机器学习方法建立风场随机风速模型,根据随机风速模型和空气动力学理论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和滚动轴承时变刚度的风力发电机行星齿轮传动系统齿轮—轴承耦合动力学模型,并对动力学模型进行仿真计算,分别得到各齿轮副的动态啮合力和滚动轴承动态接触力。以此为基础,将载荷作用过程视为随机过程,推导出随机载荷作用下的等效载荷累计分布函数。根据应力—强度干涉理论建立风力发电机齿轮传动系统各齿轮和轴承的动态可靠性模型,利用二阶矩和摄动方法求出各齿轮、轴承的动态可靠性指标,并计算出动态可靠度,研究各齿轮、轴承和传动系统的动态可靠度随时间的变化规律,为风力发电机齿轮传动系统动态可靠性设计奠定了基础。     

随机风作用下风力发电机齿轮传动系统动载荷计算及统计分析

针对风力发电机齿轮传动系统在随机风作用下失效率高的问题,在模拟真实风速的基础上,建立考虑外部随机风载及内部齿轮时变啮合刚度、轴承时变刚度及综合传递误差等激励因素的风力发电机齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型,通过对动力学模型进行仿真计算,得到各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力。结合有限单元法和赫兹接触理论,得到关键零部件的应力时间历程,采用雨流计数法对应力时间历程进行统计分析,得到传动系统各关键零部件承受载荷的应力谱及概率分布函数。研究结果为风力发电机齿轮传动系统的动态可靠性分析和疲劳寿命预测奠定基础。     

基于动力学的风力发电机齿轮传动系统模糊可靠性评估

针对风力发电机齿轮传动系统在变风速工况下失效率高的问题,在模拟真实风速的基础上,建立考虑外部随机风载及内部轮齿时变啮合刚度、轴承时变刚度及综合传递误差等激励因素的风力发电机齿轮传动系统齿轮)轴承耦合动力学模型,通过对动力学模型进行仿真计算,得到各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力。在此基础上,利用有限单元法、赫兹接触理论和数理统计理论得到了传动系统各齿轮和各支承轴承的动态接触力的概率分布,基于应力)强度干涉理论建立风力发电机齿轮传动系统关键零部件的模糊可靠性模型,并计算了关键零部件及系统的模糊可靠度。     

变风速运行控制下风电传动系统的动态特性

基于齿轮系统动力学的方法对风电传动系统进行研究。运用基于自回归模型的线性滤波法(Auto-regressive,AR)建立的风速模型对实际风场的随机风速进行模拟;根据风力发电机在实际情况中的运行控制策略获得风力发电机齿轮传动系统的时变输入转矩激励;综合考虑风力发电机齿轮传动系统中各个齿轮副的时变啮合刚度、各个滚动轴承的刚度、各个轮齿综合啮合误差等内部激励,采用集中参数质量法建立风力发电机齿轮传动系统的耦合动力学模型;在此基础上建立风力发电机齿轮传动系统的动力学微分方程并进行仿真计算,分别求解风力发电机齿轮传动系统的固有频率、振动响应、动态啮合力和滚动轴承动态轴承力。研究结果为风力发电机传动系统的动态性能优化设计和可靠性设计奠定了基础。     

变风载下2.5MW风力发电机行星齿轮传动系统动力学特性分析

根据2.5 MW风力发电机行星齿轮传动系统在随机风场中复杂变工况的工作特点,利用双参数威布尔分布模型描述随机风速的分布,获得由随机风速引起的时变风载。采用集中参数法建立风力发电机行星齿轮传动系统平移-扭转耦合动力学模型。综合考虑风力发电机行星齿轮传动系统的轴承支撑刚度、齿轮副时变啮合刚度等内部激励对传系统的影响,对变风载下2.5 MW行星齿轮传动系统的动力学特性进行仿真计算分析,求得在外部风载作用下各构件的位移响应与速度响应,为风力发电机行星齿轮传动系统的故障诊断和优化设计奠定了良好的理论基础。     

基于随机风速模型的风电增速箱试验载荷谱编制

为了编制风力发电机齿轮传动系统动态特性和疲劳寿命试验载荷谱,在模拟真实风速的基础上,基于空气动力学原理求得作用在传动系统的外部随机风载荷,采用雨流计数法和数理统计方法对风电传动系统的输入风载荷数据进行统计分析,基于波动中心法得到载荷的大小与出现频次之间的关系及概率分布,编制适合风电传动系统试验加载用的八级载荷谱,将实际风速的随机性与试验室台架试验结合起来,使试验结果更加符合实际,为准确评价风电齿轮传动系统动态特性和疲劳可靠性试验奠定基础。     

多种失效模式下的机械零件动态可靠性模型

考虑共因失效和随机载荷作用次数对可靠性的影响,建立了零件在多种失效模式下的动态可靠性模型。指出共因失效同样存在于零部件的失效中,运用应力-强度干涉模型和顺序统计量理论建立了多种失效模式下载荷多次作用时的零件可靠性模型以及零件动态可靠性模型。以齿轮的可靠度计算为例,研究了零件可靠度和失效率随时间的变化规律。研究表明,当零件强度不退化或退化不明显时,零件的可靠度随时间逐渐降低,失效率曲线具有浴盆曲线前两个阶段的特征。     

考虑失效相关的k/n系统动态可靠性模型

运用载荷-强度干涉模型、顺序统计量理论和概率微分方程建立随机载荷作用下的失效相关k/n系统动态可靠性模型,研究系统可靠度和失效率随时间的变化规律.在不作失效独立假设的前提下,运用系统级载荷-强度干涉模型建立失效相关k/n系统可靠性模型,以及k/n系统强度的累积分布函数和概率密度函数.从随机载荷作用的统计学意义出发,运用顺序统计量建立载荷多次作用下的k/n系统可靠性模型.运用泊松随机过程描述载荷的作用过程,分别建立强度不退化和强度退化时的k/n系统动态可靠性模型,并研究k/n系统可靠度和失效率随时间的变化规律.研究表明,k/n系统的可靠度随时间逐渐降低;k的取值越大,k/n系统的可靠性越低,失效率越高.强度不退化时,k/n系统的失效率随时间逐渐减小且早期失效率较高;强度退化时,k/n系统的失效率具有"浴盆"曲线的特征.     

飞行汽车齿轮传动系统动态可靠性分析

飞行汽车作为面向未来城市空中交通的新型交通工具,具有智能、高效和便捷的特点.齿轮传动作为飞行汽车动力传输的关键部件,其安全性与可靠性已成为制约飞行汽车发展的难题.但目前针对飞行汽车齿轮传动系统的可靠性分析方法缺失,现有齿轮传动设计方法未能考虑强度退化与失效相关性对系统可靠性的影响,存在潜在失效风险.因此,基于应力-强度干涉理论,建立了考虑强度退化与失效相关性的某飞行汽车齿轮传动系统动态可靠性分析模型;根据飞行任务剖面图建立载荷谱,并获得了齿轮接触与弯曲应力,通过Goodman准则将齿轮脉动循环应力历程等效为对称循环应力,以匹配基于S-N曲线的疲劳损伤计算;基于非线性疲劳累积损伤理论,建立了齿轮强度退化模型,并通过Copula函数描述了传动系统中的失效耦合相关性;结合应力-强度干涉理论,阐述了飞行汽车齿轮传动系统可靠性演化规律,为飞行汽车齿轮传动系统动态设计与可靠性优化奠定了基础.     

Design optimization of a wind turbine gear transmission based on fatigue reliability sensitivity

Fatigue failure of gear transmission is one of the key factors that restrict the performance and service life of wind turbines. One of the major concerns in gear transmission under random loading conditions is the disregard of dynamic fatigue reliability in conventional design methods. Various issues, such as overweight structure or insufficient fatigue reliability, require continuous improvements in the reliability-based design optimization (RBDO) methodology. In this work, a novel gear transmission optimization model based on dynamic fatigue reliability sensitivity is developed to predict the optimal structural parameters of a wind turbine gear transmission. In the model, the dynamic fatigue reliability of the gear transmission is evaluated based on stress–strength interference theory. Design variables are determined based on the reliability sensitivity and correlation coefficient of the initial design parameters. The optimal structural parameters with the minimum volume are identified using the genetic algorithm in consideration of the dynamic fatigue reliability constraints. Comparison of the initial and optimized structures shows that the volume decreases by 3.58% while ensuring fatigue reliability. This work provides new insights into the RBDO of transmission systems from the perspective of reliability sensitivity.     

风电行星齿轮系统变载荷激励动力学模型及其响应特性

针对风电行星齿轮系统变载变速的运行特点,通过分析系统构件为刚体和弹性体时的受力情况,应用运动合成原理,提出了变载荷激励下行星齿轮系统动力学模型的建立方法,并推导出系统的运动微分方程。在此基础上,分析了行星齿轮系统的内外部激励因素及其对系统动载荷和动载系数的影响机理。计算并分析了某MW级风电行星齿轮系统的动态响应,结果表明：系统的时变啮合刚度和时变轴承刚度主要影响响应频率的数值大小和系统的振动能量;外部变载荷使响应频率中存在明显的低频成分,并影响各阶振动间的能量分配;齿轮啮合力的动载系数主要受到外部变载荷的影响,而轴承力的动载系数同时受到系统内部激励和外部激励的影响。研究结果为风电齿轮箱的疲劳寿命分析和动态优化设计奠定了基础。     

考虑随机制造误差的风力机行星齿轮系统动力学特性

为研究综合传递误差的随机波动对风力发电机齿轮传动系统动力学特性的影响,考虑齿轮时变啮合刚度、综合传递误差等因素,建立风力发电机行星齿轮传动系统纯扭转动力学模型。以随机风速引起的齿轮系统转矩波动作为行星齿轮系统的外部激励,对某1.5 MW风力发电机行星齿轮传动系统的动力学特性进行仿真分析,得到系统各响应量时域内的统计特征和齿轮副间的动态啮合力统计特征。分析表明：行星架、行星轮和太阳轮在扭转方向上的振动特性与外部载荷相关,其振动位移与外部载荷波动有相似变化的趋势;综合传递误差随机分量的离散程度对行星齿轮系统的动态特性和齿轮副间的动态啮合力有较大影响。随着综合传递误差随机分量离散程度的增加,行星架、太阳轮和行星轮在扭转方向上的振动幅值明显增加;综合传递误差随机分量的随机性使齿轮副间动态啮合力产生随机波动,随机分量离散程度越大,动态啮合力波动越明显;当随机分量的离散程度达到某一值时,齿轮啮合过程发生脱离,引发啮合冲击。     

基于动力学和可靠性的风力发电齿轮传动系统参数优化设计

通过建立1.5 MW风力发电齿轮传动系统动力学微分方程,考虑由风速变化引起的外部激励和由时变啮合刚度与综合误差引起的内部激励,应用模态叠加法求解系统的动力学微分方程并给出了使用系数和动载系数的表达式。在此基础上,对齿轮传动系统的优化问题进行了深入研究, 建立以等强度原则和可靠性为约束,以体积最小为目标的优化设计数学模型,利用Matlab的优化工具进行优化,并对实例进行分析计算。分析结果表明,给出的变工况动载荷条件下的风电齿轮传动系统优化设计方法和得到的设计参数,能有效地提高传动系统的可靠度,明显降低重量和体积。     

风电齿轮箱动态响应分析及实验测量

运用达朗伯原理建立了风电齿轮箱传动系统的纯扭转集中参数动力学模型,箱体模型采用有限元法建立,通过作用在箱体支撑孔上的轴承力建立了齿轮箱动力学模型.采用龙格-库塔法求解了传动系统的轮齿动态啮合力,计算了箱体在动态啮合力作用下的振动响应.同时对齿轮箱进行了实验测量,并把测量得到的齿轮箱振动响应数据和模型计算的结果进行了对比,验证了模型的正确性.通过这些分析,为风电齿轮箱动态设计中减少振动噪声、提高承载能力与可靠性奠定了基础.     

基于光谱分析技术的风机齿轮箱系统维护策略研究

风机齿轮箱中轴承和齿面的磨损是齿轮箱最常见的累积故障,当齿轮箱中的系统部件的累积磨损达到一定量时就会严重威胁到整个风电机组的正常运行,甚至大大降低其使用寿命。基于光谱分析技术对风机齿轮箱进行维护策略的研究,依据设备的不同累积磨损情况建立3种不同维护方式下的齿轮箱的维护策略,基于概率模型建立齿轮箱系统的时间成本模型,以最少维护时间成本为优化目标,利用蒙泰卡罗方法模拟设备随机衰退过程对巡检周期进行仿真,仿真结果表明提出的方案可行且有效。