考虑零件失效相关的风电齿轮箱寿命建模

【摘要】：齿轮箱作为风电机组的主要传动部分,其性能的好坏是影响风电机组寿命的一个重要方面。对于齿轮箱而言,忽略系统失效的相关性,常常会导致过大的误差。本文以1.5MW风电齿轮箱为研究对象,将风电齿轮箱系统结构进行详细的计算与分析,并利用Copula函数,考虑风电齿轮箱零件之间的失效相关性,结合Sklar定理,运用逐层分析的思想,构建基于零件失效相关的风电齿轮箱寿命分布模型。 首先,考虑变风速对载荷的影响以及顺序统计量的特点,在应力-强度干涉模型的前提下,通过以载荷作用次数为寿命度量指标的机械零部件动态可靠性模型,构建机械零部件的寿命分布模型。 其次,基于风电齿轮箱齿轮的设计参数,利用机械零部件的寿命分布模型,通过对齿轮齿面接触疲劳应力与强度的计算,建立了风电齿轮箱零件的寿命分布函数。用最小二乘法估计风电齿轮箱零件的寿命分布函数形式中的参数,进而确定寿命分布函数的具体分布规律,以此作为风电齿轮箱系统联合分布函数的边缘分布函数。 然后,根据确定零件寿命分布函数形式时的相应参数,生成相应的频率直方图,然后根据频率直方图的形状和Copula密度函数的形状特点选择合适的Copula函数,为建立风电齿轮箱系统寿命分布模型提供了条件。 最后,通过使用Sklar定理,在风电齿轮箱实际工况参数的前提下,运用逐层分析的思想,详细的分析和计算了风电齿轮箱系统,构建了考虑零件失效相关的风电齿轮箱寿命分布模型,并拟合出风电齿轮箱系统寿命分布函数随时间变化的动态曲线,然后验证了所建立的寿命分布模型的有效性。 在充分考虑载荷的随机性与零件之间的失效相关性的基础上,分析了齿轮箱寿命分布函数随时间变化的特点,所建立的风电齿轮箱寿命分布模型为齿轮箱的寿命分析提供了新的理论基础。 【关键词】：风电齿轮箱 失效相关 Copula函数 Sklar定理 寿命分布模型
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315;TH132.41
【目录】：

• 目录5-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 插图索引11-12
• 附表索引12-13
• 第1章 绪论13-19
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.2.1 国内外可靠性工程的发展14-15
• 1.2.2 国内外风电齿轮箱的发展现状15-16
• 1.2.3 失效相关问题的研究现状16-17
• 1.3 研究目标和研究内容17-18
• 1.3.1 研究目标17
• 1.3.2 研究内容17-18
• 1.4 本章小结18-19
• 第2章 机械零部件寿命分布模型的建立19-34
• 2.1 可靠性指标19-22
• 2.1.1 可靠度19-20
• 2.1.2 失效率20-21
• 2.1.3 可靠寿命21
• 2.1.4 平均寿命21-22
• 2.2 可靠性分析中常用的概率分布22-27
• 2.2.1 二项分布22-23
• 2.2.2 正态分布23
• 2.2.3 对数正态分布23-24
• 2.2.4 威布尔分布24-25
• 2.2.5 指数分布25-27
• 2.3 可靠性参数的随机性及其影响因素27-29
• 2.3.1 载荷及其特征27-28
• 2.3.2 变风速对载荷的影响28-29
• 2.4 应力-强度干涉模型及其不足29-30
• 2.4.1 应力-强度干涉模型29
• 2.4.2 应力-强度干涉模型的不足29-30
• 2.5 零部件寿命分布模型30-33
• 2.5.1 顺序统计量30-31
• 2.5.2 载荷(或应力)等效及其概率分布31-32
• 2.5.3 以载荷作用次数为寿命指标的零部件动态可靠性模型32
• 2.5.4 零部件寿命分布模型的建立32-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第3章 风电齿轮箱零件寿命分布函数的确定34-49
• 3.1 机械系统可靠性经典模型34-37
• 3.1.1 串联系统的可靠性模型34-35
• 3.1.2 并联系统的可靠性模型35-36
• 3.1.3 串-并联系统的可靠性模型36-37
• 3.1.4 并-串联系统可靠性模型37
• 3.2 风电齿轮箱的主要结构37-38
• 3.3 风电齿轮箱相关设计参数的分析与计算38-39
• 3.4 风电齿轮箱零件寿命分布函数曲线的确定39-44
• 3.4.1 齿轮齿面接触疲劳应力分析40-41
• 3.4.2 齿轮齿面接触疲劳强度分析41-42
• 3.4.3 风电齿轮箱各齿轮寿命分布函数曲线的建立42-44
• 3.5 风电齿轮箱零件寿命分布函数的确定44-48
• 3.5.1 双参数威布尔分布44-45
• 3.5.2 对数正态分布45-46
• 3.5.3 结果分析46-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第4章 Copula函数的选择49-61
• 4.1 Copula函数的概念和基本性质49-51
• 4.1.1 二元Copula函数定义49
• 4.1.2 二元Copula函数基本性质49-50
• 4.1.3 多元Copula函数的定义50
• 4.1.4 多元Copula函数的性质50-51
• 4.1.5 Sklar定理51
• 4.2 常见的Copula函数与相关性分析51-57
• 4.2.1 多元正态Copula函数51-52
• 4.2.2 多元t-Copula函数52
• 4.2.3 阿基米德Copula函数52-57
• 4.3 Copula模型的建立与估计57-58
• 4.3.1 Copula模型的建立57
• 4.3.2 Copula模型的参数估计方法57-58
• 4.4 选取适当的Copula函数58-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第5章 零件失效相关的风电齿轮箱寿命建模61-69
• 5.1 失效相关现象与机理61-62
• 5.2 风电齿轮箱系统的结构分析62-63
• 5.3 风电齿轮箱各部分的失效相关性分析63-66
• 5.4 风电齿轮箱系统联合分布函数的建立66-67
• 5.5 结果分析67-68
• 5.6 本章小结68-69
• 结论与展望69-71
• 结论69-70
• 本文的创新点70
• 本文的研究展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文76-77
• 附录B Matlab程序77-79
• B.1 齿轮7,8Copula选择及绘制的程序77-78
• B.2 风电齿轮箱系统Copula函数的计算程序78-79

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