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风力发电机齿轮传动系统参数分析与优化设计

李敏  
【摘要】:风电发电在当今社会经济发展中的地位越来越重要,这也意味着风力发电机的耐用性的地位越来越显著。要保证有限的经济投入前提下,有效地获得更多的能源,进而获得更大的收益,是当今社会的风电发展的一项重要课题。随着风力发电机组的容量越来越大,风电机在运行中受到的载荷也就越来越大,这就等于出现意外的概率越来越高。这就说明,人类在发展风力发电的同时,首先要考虑的就是风力发电机的安全性及有效性。于是,无论是国家或地区,还是风电企业,对风力发电机的寿命及其可靠性的研究越来越多。对机组要求越来越高,必然的,为此所作的努力也越来越大。 对于风力发电机中各部分组件,传动部分也就是齿轮箱,占有着举足轻重的地位,越来越多的学者将目光聚焦到对齿轮增速箱的研究上,尤其是近些年来,大多数国家希望在齿轮箱技术上的自有化,更是耗费了大量的技术研究。对零件进一步到系统的静态分析、动态分析,对零部件的结构分析,对系统的可靠性分析,等等。而这所有的努力工作都是为了保证,齿轮箱传动系统的寿命能够越来越长,以保证风力发电的成果越来越显著。 本文的主要目的就是为了对2MW风力发电机的齿轮传动系统的参数进行分析,对其可靠性进行研究,并进行优化。课题得到陕西省自然基金(2010JM7017)和陕西省教育厅项目(2010JK418)的资助,针对山东省某风电科技集团的2MW风力发电机进行分析,对行星齿轮传动系统和斜齿轮传动系统分别说明,判断他们各自在风载变化下的影响。同时,对系统中的滚动轴承的可靠性进行分析说明,在优化系统参数的前提下,对轴承可靠性进行优化。本文的主要工作有: 首先,从整体分析2MW风力发电机的物理模型,分别建立行星齿轮传动系统和斜齿轮传动系统的物理模型。对各组成部分(齿轮副)进行力学分析,讨论他们的弹性变形,得出动力学微分方程。同时,考虑到实际的风力发电机的工作情况,分析了激励力对系统的影响。 其次,利用数学方法,对系统的各微分方程进行求解说明,考虑风载变化的基础上,对齿轮的使用系数、动载系数和滚动轴承的载荷系数进行表达式说明,并利用MATLAB进行数学求解。 接着,在对载荷系数说明的前提下,对系统的可靠性进行评估。分别建立齿轮传动系统与滚动轴承的可靠性评估模型,得到串联系统的可靠性评估模型,并计算相应的可靠度。 最后,利用MATLAB的优化工具箱,进行齿轮箱系统的参数优化。并利用优化后的参数,重新选择滚动轴承,并对传动系统的可靠性重新进行计算说明,数据证明优化后的齿轮箱体积变小,可靠度提高。


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