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《西南交通大学》 2019年
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大型永磁直驱风力发电机轮毂强度及疲劳分析

王世建  
【摘要】:近十年来,减少二氧化碳等温室气体的排放、防止全球平均气温上升已经成为了全世界各国政府和人民的共识。中国作为世界上负责任的大国,在这场节能减排的重大战役中肩负起了重大的责任和义务。正是在当前背景下,我国近年来连续加大节能减排力度,加快新能源和可再生能源的发展速度。我国风电行业起步较晚,虽然通过消化吸收国外引进技术,已经能够进行兆瓦级风机的自主设计和制造,但是10兆瓦级的大型风能发电机组却依然处于研发阶段,还需要进行刻苦攻关,进一步提升自主创新能力,解决海上大型风能发电机组研发所面临的挑战。本文响应“中国制造2025”的国家制造业战略,对于大型永磁直驱轮毂的建模方法和计算方法进行深入的研究总结,能有效指导设计。从而规避了常规设计方法本身的局限性导致的盲区,保证产品可靠稳定。精确的永磁直驱风能发电机轮毂的运行状态的模拟面临着三大难题:1)变桨轴承球滚子接触非线性强;2)叶片载荷的准确传递路径的模拟;3)三个风机叶片含有的载荷工况很多。为了能够准确地模拟轴承球滚子和齿轮的工作状态,本文对其简化和建模方法进行了细致的研究。关于轴承球滚子,通过运用只受拉不受压的三维杆单元进行模拟,等效球滚子的刚度,以此来模拟其接触非线性的特点。关于变桨马达中齿轮啮合,本文根据其真实的变形和受力特点,将其等效为一个径向力和切向力,可以精确的表现出变桨马达中齿轮啮合的真实情况。为了能够准确模拟轮毂所受到的叶片真实的载荷情况,本文通过统计分析载荷之间的分布规律,考虑了三个叶片上实际服役期间的所有载荷工况,与轮毂实际运行状态保持高度一致。在成功解决上述三个难点的基础上,进一步对大型永磁直驱轮毂的刚强度和疲劳寿命进行了数值分析,对轮毂强度进行校核并完成了轮毂的疲劳强度评估。对轮毂的有限元计算模型进行检查,确保载荷、约束条件可靠,网格密度足够,计算结果准确可靠。该机型目前已经量产1000多台,从机组安装投运以来,轮毂未发生任何故障,证明了本文轮毂有限元计算方法的合理性和结果的可靠性。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM315

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