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大型风电齿轮箱均载性能研究及优化

张立勇  
【摘要】: 随着能源短缺和环境污染问题的日益加剧,风能作为一种清洁的可再生能源,已被世界各国高度重视。近年来,虽然我国风电产业得到快速发展,但风电机组的总体设计制造水平与国际先进水平相比还有很大差距。 风电齿轮箱是风电机组中最重要的部件之一。目前,我国已安装的风力发电机组,特别是大型风电机组的故障率居高不下,其中齿轮箱故障占了很大的比重。对大型风电齿轮箱进行系统的研究,降低风电机组中齿轮箱的故障率,提高风电机组的性能和可靠性对推动我国风电产业的发展有重要意义。 大型风电齿轮箱中通常包括行星齿轮传动。均载性能直接决定着行星齿轮传动的可靠性等工作性能。本文主要对大型风电齿轮箱的均载性能及关键部件进行了研究,完成的主要工作和得出的结论包括以下几个方面。 (1)建立了大型风电齿轮箱的静力学均载分析模型,进行了误差分析,得到了静力学载荷分布不均匀系数的计算方法和太阳轮浮动量。结果表明,系统的静力学载荷分布不均匀系数随各误差的增大而增大,内齿圈偏心误差对载荷分布不均匀系数的影响最大。在其他条件不变的情况下,载荷分布不均匀系数随太阳轮支撑刚度的增大而增大。 (2)采用集中参数法建立了大型风电齿轮箱的动力学均载分析模型,得到了其运动微分方程。采用傅立叶法求解得到了系统的动载系数和动力学载荷分布不均匀系数。分析了各齿轮偏心误差和转速对动力学均载性能的影响。结果显示,太阳轮偏心误差对动力学均载性能的影响最大,其次是内齿圈,行星轮偏心误差的影响最小;系统的动力学载荷分布不均匀系数随转速的升高而增大。 (3)以各级接触疲劳强度近似相等为目标函数,建立了大型风电齿轮箱传动参数优化设计模型,采用遗传算法完成了大型风电齿轮箱参数的优化设计。与传统设计方法相比较,本优化设计能够更好的实现系统的整体性能最优。 (4)建立了行星架的刚度模糊可靠性模型,对行星架进行了刚度模糊可靠性优化设计,得到了行星架侧壁厚度的最优值。进一步通过有限元结构分析,优化了行星架侧壁连接板的结构。与初始设计的计算结果相比较,改进后结构的重量降低了32kg。优化前结构中最大位移为0.85mm,最大应力为211MPa;优化后的改进模型的最大位移为0.55mm,最大应力为91.70MPa。通过对行星架的优化及结构改进,很大程度上降低了结构的变形和应力,提高了行星架刚度,降低了行星架变形对轮齿啮合状态的影响。 (5)在对某大型风电齿轮箱箱体受力进行系统分析的基础上,采用有限元法分析了各箱体组成部分在不同组合情况下的应力、变形情况。算例箱体的最大综合位移为1.169mm,出现在箱体背面区域,特别是左爪及轴承2受力的区域变形较大;最大应力为99.68MPa,满足设计要求。分析了整个箱体装配体的模态特性,结果表明其固有频率较高,前十阶固有频率在233.19Hz~526.8Hz范围内,其固有频率满足风电齿轮箱设计标准要求。 (6)应用齿廓法线法推导出了插齿加工的渐开线直齿内齿圈的精确齿廓曲线方程,并通过Solidworks中的宏功能采用Visual Basic语言编程实现了内齿圈齿廓渐开线以及齿根过渡曲线的自动生成,建立了内齿圈的精确三维实体模型,研究了内齿圈的轮齿变形及齿根应力。结果表明,内齿圈的最大变形出现在齿顶的中间部位,而最大应力出现在受载齿的齿根部位;内齿圈的最大变形和齿根最大应力随着齿根过渡圆角半径的增大而减小。在螺栓孔及销孔不变的情况下,内齿圈的轮齿最大变形和齿根最大应力随轮缘厚度的增大而减小,螺栓孔及销孔对轮齿最大变形影响不大,但对齿根最大应力的影响比较显著。


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