带齿根裂纹损伤的风电增速器振动特性研究

【摘要】：风能作为清洁的可再生能源,近年来得到了广泛的关注和应用,在新能源领域有着举足轻重的地位。作为风机的核心部件,风电增速器往往运行环境恶劣多变,长期运转难免会造成损伤,一旦发生事故会造成巨大的经济损失甚至人员伤亡。为了避免带伤齿轮运转时可能引发的灾难性事故,有必要研究带伤齿轮传动系统早期的振动机理以及振动特性。早期的故障预测技术已经广泛应用于各种大中小型设备的故障监测和预报中,为保障设备的正常运转、避免事故的发生起到了关键作用。但是对于风机传动系统,在故障预测中往往面临损伤机理不明确、大型设备故障演化周期长导致无法获取损伤演化数据、早期损伤检测不明显等问题。具有典型损伤特征的风电增速器的动力学模型、裂纹轮齿啮合刚度的计算、时变风载的模拟等理论研究具有很高的工程价值。为了能够从损伤机理的角度分析损伤对系统动力特性的影响规律,本文主要做了以下几项工作：(1)研究了斜齿圆柱齿轮外啮合时变啮合刚度的计算方法,从直齿轮和斜齿轮几何相似性入手,结合能量法得到了带有齿根裂纹损伤特征的齿轮副的时变啮合刚度的计算模型。应用接触有限元法计算了不同啮合位置的啮合刚度值,拟合出裂纹轮齿参与啮合全过程的时变刚度曲线,研究了裂纹对齿根弯曲应力的影响规律。同时,将轮齿等效为悬臂梁,应用有限元软件对比分析了直线型裂纹和曲线型裂纹的单齿刚度,证明了裂纹简化的合理性。(2)建立了考虑多因素影响下的风电动力学建模方法。采用集中质量法,结合牛顿第二定律建立了考虑时变啮合刚度激励、阻尼激励、支撑刚度等非线性因素的弯-扭-轴耦合模型,为齿根裂纹损伤对风电增速器传动系统的振动响应的求解提供了前提。(3)求解了正常和带齿根裂纹损伤的齿轮传动系统在恒载激励以及随机风载下的振动响应,在时域和频域范围内分析了动态仿真结果,进而得到了裂纹损伤特征与系统振动响应之间的规律,为早期检测齿根裂纹损伤提供了理论依据。在木文最后,给出了裂纹深度与振动响应幅值的量化关系,可作为裂纹程度预测的参考。(4)基于动力学仿真软件ADAMS,建立风电增速器输入级行星轮系的多体动力学刚柔耦合虚拟样机模型,充分考虑了裂纹轮齿的柔性特征,得到了带有裂纹损伤特征的行星增速器的振动响应,对理论结果进行了验证。 【关键词】：斜齿轮 啮合刚度 裂纹 动力学
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 齿轮传动系统动力学分析发展现状11-13
• 1.2.2 损伤齿轮传动系统动力学特性研究现状13-14
• 1.3 本文研究目的及主要研究内容14-17
• 2 风电增速器齿轮传动系统动力学分析模型17-29
• 2.1 前言17
• 2.2 风电增速器齿轮传动系统等效力学模型的建立17-19
• 2.3 模型中的激励及主要参数分析19-22
• 2.3.1 啮合误差激励和啮合阻尼分析19-21
• 2.3.2 行星架扭转刚度的计算21-22
• 2.4 风电增速器齿轮传动系统分析模型的建立22-28
• 2.4.1 各构件间的相对位移关系22-24
• 2.4.2 输入级行星轮系动力学微分方程24-26
• 2.4.3 中间级行星轮系动力学微分方程26-27
• 2.4.4 输出级轮系动力学微分方程27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 3 具有齿根裂纹损伤的啮合刚度计算29-55
• 3.1 斜齿轮啮合刚度计算方法29-30
• 3.2 能量法计算正常齿轮副啮合刚度30-40
• 3.2.1 损伤斜齿轮啮合刚度研究现状30-31
• 3.2.2 赫兹接触刚度31
• 3.2.3 弯曲刚度、剪切刚度、径向压缩刚度31-34
• 3.2.4 综合啮合刚度34-40
• 3.3 基于有限元法计算正常轮齿啮合刚度40-42
• 3.4 带齿根裂纹损伤的齿轮副啮合刚度计算42-54
• 3.4.1 轮齿齿根裂纹的设定及简化42-46
• 3.4.2 能量法计算齿根裂纹轮齿啮合刚度46-49
• 3.4.3 基于有限元法计算齿根裂纹轮齿啮合刚度49-54
• 3.5 本章小结54-55
• 4 带损伤齿轮及其传动系统动态响应分析55-83
• 4.1 前言55
• 4.2 恒载激励下动力学仿真结果分析55-65
• 4.2.1 无裂纹齿轮系统动力学仿真结果55-59
• 4.2.2 有裂纹齿轮系统动力学仿真结果59-65
• 4.3 外部激励分析65-69
• 4.3.1 随机风速模型的建立65-67
• 4.3.2 随机风载激励分析67-69
• 4.4 随机风速下动力学仿真结果分析69-79
• 4.4.1 无裂纹齿轮系统动力学仿真结果69-73
• 4.4.2 有裂纹齿轮系统动力学仿真结果73-79
• 4.5 行星轮和太阳轮扭转振动信号频域响应79-82
• 4.6 本章小结82-83
• 5 基于ADAMS的风力发电机齿根裂纹损伤分析83-90
• 5.1 前言83
• 5.2 传动系统三维建模83-84
• 5.3 ADAMS多体动力学模型的建立84-87
• 5.3.1 太阳轮柔体模态中性文件的生成84-85
• 5.3.2 齿轮接触力(contact)仿真参数的确定85-86
• 5.3.3 施加约束和载荷86-87
• 5.3.4 仿真初始条件设置87
• 5.4 ADAMS多体动力学仿真结果分析87-89
• 5.5 本章小结89-90
• 结论90-92
• 参考文献92-97
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况97-98
• 致谢98-99

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