大型风电机组齿轮箱齿轮的疲劳寿命分析与预测

【摘要】：风力发电是世界各国都在大力发展的新能源产业,风电机组作为风力发电系统的关键设备之一,其性能问题也得到了重视。齿轮箱作为风电机组的核心部件,其是否能正常运转对整个风电机组的安全工作起着决定性作用。本文主要针对齿轮箱内传动系统各级齿轮副的疲劳寿命进行研究。以现有的风电齿轮箱的实测时间-扭矩数据依据,利用概率统计、疲劳分析、断裂力学和有限元等方法,系统全面的研究了风电机组齿轮箱内各级齿轮在随机载荷的作用下的疲劳寿命预测及疲劳裂纹扩展分析。 本文先选用雨流计数法对各个工况下的实测数据统计处理,并最后得到时间-载荷数据。将这些数据编制成在各个工况下的二维载荷谱,分析各级齿轮分别在各个工况下的疲劳应力分布,结合实测工况频率合成多工况的二维载荷谱。依据名义应力法,分别采用Miner线性疲劳累积损伤理论和Carten-Dolan非线性疲劳累积损伤理论,对各级齿轮进行疲劳寿命估算,得到应用Carten-Dolan理论得到的计算结果比应用Miner理论得到的结果更安全。之后,在此分析结果上研究齿轮的几种参数对其疲劳寿命的影响。另外,本文还从疲劳裂纹扩展角度,以断裂力学的相关理论为基础,对增速齿轮箱具有代表性的行星轮系和高速级齿轮进行有限元分析,预测其剩余疲劳寿命,验证了上一种方法的合理性。 【关键词】：风电齿轮箱 载荷谱 疲劳寿命 裂纹扩展
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315;TH132.41
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题背景及意义9-10
• 1.2 风电机组疲劳分析研究现状10-11
• 1.3 国内外疲劳寿命分析的研究现状11-13
• 1.3.1 国外疲劳寿命分析的研究现状11-12
• 1.3.2 国内疲劳寿命分析的研究现状12-13
• 1.4 论文主要研究内容13-14
• 第2章 疲劳载荷的统计处理与载荷谱的编制14-31
• 2.1 引言14
• 2.2 齿轮箱传动系零件的随机载荷的统计计数处理14-18
• 2.2.1 随机载荷的统计计数法14-15
• 2.2.2 雨流计数法15-16
• 2.2.3 齿轮疲劳应力计算16-18
• 2.3 齿轮箱内各级齿轮疲劳载荷谱的编制18-30
• 2.3.1 单工况二维载荷谱的编制及其分析18-27
• 2.3.2 多工况载荷谱的编制27-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 疲劳寿命的计算——名义应力法31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 P-S-N曲线及其修正31-33
• 3.2.1 P-S-N曲线31-32
• 3.2.2 P-S-N曲线的修正32-33
• 3.3 疲劳累积损伤理论33-37
• 3.3.1 线性疲劳累积损伤理论34-35
• 3.3.2 非线性疲劳累积损伤理论35-37
• 3.4 某风电机组齿轮箱疲劳寿命及其影响因素分析37-44
• 3.4.1 疲劳寿命的估算38-39
• 3.4.2 影响疲劳寿命因素的分析39-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 疲劳裂纹寿命预测45-61
• 4.1 引言45
• 4.2 断裂力学相关理论45-49
• 4.2.1 裂纹类型45-46
• 4.2.2 疲劳裂纹扩展过程的几个重要值46-48
• 4.2.3 Paris公式48
• 4.2.4 裂纹扩展寿命预测法实现步骤48-49
• 4.3 裂纹扩展的实例分析49-60
• 4.3.1 有限元分析50-59
• 4.3.2 疲劳裂纹扩展寿命估算59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 结论与展望61-63
• 5.1 结论61-62
• 5.2 展望62-63
• 参考文献63-66
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果66

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