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考虑强度退化及失效相关性的风电齿轮箱可靠性分析

高建雄  
【摘要】:风电齿轮箱是风力发电设备中的核心部件,具有长寿命和高可靠性等技术要求。但是,由于齿轮传动系统承受的载荷随着风速的变化呈现出高度的不稳定性,导致齿轮箱成为风电机组中失效率最高的部件之一。在这种高度不稳定载荷的长期作用下,一方面,材料内部损伤不断累积,齿轮箱中零件的强度随时间表现出逐渐退化的趋势;另一方面,由于齿轮箱是一个运动和动力耦合的系统,无论是同一零件不同失效模式之间,还是齿轮箱系统中不同零件之间,都普遍存在着失效相关性。因此,本文从强度退化和失效相关这两个角度出发,对风电齿轮箱及其零部件的可靠性进行研究。主要研究结果包括以下三个方面:(1)由于零件强度退化过程中表征退化状态(磨损、裂纹、腐蚀等)的退化数据往往很难直接测量,属于典型的缺失数据。在这种情况下对零件的强度退化过程进行数学建模存在明显的困难。为此,本文用Gamma过程来描述零件强度的随机退化规律,并结合材料的P-S-N曲线对Gamma过程中的特征参数进行估计,建立基于P-S-N曲线的强度退化随机模型。(2)为了对风电齿轮箱中存在的失效相关性进行分析,本文首先利用混合Copula函数来描述齿轮箱中各个零件不同失效模式之间的相关性,实现了零件不同失效模式之间的相关性建模;然后,利用嵌套Copula函数的方法实现了整个齿轮箱系统中各个零件之间的失效相关性建模。(3)为了说明本文提出方法的有效性与合理性,以某2MW风电齿轮箱为研究对象,对本文所提出的理论与方法进行验证和分析。


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