兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱的效率研究與優(yōu)化.pdf

1、以兆瓦級(jí)（5MW～10MW）的風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱的傳動(dòng)效率為研究對(duì)象，圍繞齒輪箱功率損失中的攪油功率損失、卷吸功率損失、齒間嚙合功率損失等進(jìn)行了深入分析和研究，擬合了功率損失的數(shù)值計(jì)算公式，用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)公式進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)兆瓦級(jí)的風(fēng)電增速齒輪箱的傳動(dòng)效率進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，為下一步大功率風(fēng)電設(shè)備的研發(fā)提供數(shù)據(jù)和理論支持。在研究過(guò)程中主要進(jìn)行了以下五個(gè)方面的工作。
　　首先：對(duì)齒輪箱中外嚙合直齒輪或斜齒輪的攪油功率損失進(jìn)行了有限元分析

2、、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)的直齒輪或斜齒輪，考慮潤(rùn)滑油的粘性和密度，齒輪的螺旋角、模數(shù)、齒數(shù)、齒寬、轉(zhuǎn)速、周邊工作溫度、箱體尺寸、重力加速度和潤(rùn)滑油浸沒(méi)深度等參數(shù)的影響，以粘性流體動(dòng)力學(xué) N-S方程為基礎(chǔ)，建立了齒輪攪油的三維模型，分析了齒輪攪油功率損失的特點(diǎn)和形成原因。對(duì)于直齒圓柱齒輪，攪動(dòng)潤(rùn)滑油后主要產(chǎn)生切向流，側(cè)面泄漏量非常小，可以忽略齒寬的影響；對(duì)于斜齒圓柱齒輪，攪動(dòng)潤(rùn)滑油后產(chǎn)生的流動(dòng)具有三維流動(dòng)特點(diǎn)，需要考慮周向流、徑向流

3、和軸向流的共同效應(yīng)，該模型以軸向泵或風(fēng)機(jī)的流動(dòng)為參考依據(jù)。采用三維分析方法，運(yùn)用有限元仿真分析對(duì)上述攪油功率損失進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，使用與仿真參數(shù)相同的實(shí)物模型對(duì)影響攪油功率損失的參數(shù)進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，繪制了各參數(shù)對(duì)攪油功率損失影響的擬合曲線，比對(duì)了數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，并對(duì)誤差產(chǎn)生原因和來(lái)源進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：理論分析結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果接近，攪油功率損失的擬合公式可以作為多級(jí)行星增速箱效率優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。
　　其次：對(duì)行星傳

4、動(dòng)中的內(nèi)齒圈與行星輪齒廓圍成區(qū)域之間的卷吸功率損失進(jìn)行了有限元分析、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)內(nèi)齒圈固定、行星輪公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)的增速箱結(jié)構(gòu)，考慮潤(rùn)滑油的粘性和密度，齒輪的壓力角、模數(shù)、齒數(shù)、轉(zhuǎn)速，周邊工作溫度、箱體尺寸，重力加速度和潤(rùn)滑油浸沒(méi)深度等參數(shù)的影響，同樣以粘性流體動(dòng)力學(xué)N-S方程為基礎(chǔ)，建立了齒輪卷吸的三維模型，分析了齒輪卷吸功率損失的特點(diǎn)和形成原因。對(duì)內(nèi)齒圈和行星輪之間由于漸開(kāi)線齒廓圍成的封閉或半封閉區(qū)域面積變化形成的潤(rùn)滑油卷吸功率損

5、失進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)理論分析和瞬態(tài)有限元仿真計(jì)算，并根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果擬合了多參數(shù)影響下的卷吸功率損失計(jì)算公式。進(jìn)一步，使用三種不同參數(shù)的NGW系列行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)際卷吸功率損失的測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果與擬合公式的結(jié)果基本一致。
　　再次：研究了直齒輪、斜齒輪的瞬態(tài)齒間嚙合功率損失。對(duì)于直齒外嚙合或內(nèi)嚙合變位齒輪齒間瞬態(tài)嚙合功率損失，使用粘性流體動(dòng)力學(xué)的方法建立齒間彈性變形的接觸線、面的正壓力和摩擦力的關(guān)系式，使用赫茲接觸公式建立接觸半寬和正

6、壓力之間的關(guān)系、使用彈性流體力學(xué)理論建立膜厚與正壓力、摩擦力之間的關(guān)系式，將多參數(shù)求解轉(zhuǎn)化為單參數(shù)求解，使用迭代的方法求解計(jì)算出各參數(shù)對(duì)齒間嚙合效率的影響。對(duì)于斜齒外嚙合或內(nèi)嚙合齒輪的齒間瞬態(tài)嚙合損失，基本方法和思路與直齒輪相同，不同的是需要采用離散的方法將嚙合線轉(zhuǎn)化為具有足夠精度的多個(gè)離散點(diǎn)，對(duì)離散點(diǎn)求取該點(diǎn)的瞬態(tài)嚙合效率，再求取某條嚙合線的平均效率。對(duì)于直齒內(nèi)嚙合或外嚙合行星齒輪機(jī)構(gòu)，瞬態(tài)嚙合時(shí)由于行星機(jī)構(gòu)齒數(shù)和行星輪個(gè)數(shù)的原因行星

7、輪之間產(chǎn)生了相位差，不同的行星輪同時(shí)嚙合但嚙合點(diǎn)在嚙合線上的位置不同，因此行星輪齒間嚙合功率損失還要增加行星輪數(shù)量、行星輪齒數(shù)和相位差之間的關(guān)系式參與迭代計(jì)算。
　　第四：針對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電齒輪增速箱的兩種常用結(jié)構(gòu)型式，以效率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)兩種增速箱進(jìn)行靜力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，先以傳統(tǒng)優(yōu)化方法進(jìn)行了第一輪優(yōu)化，計(jì)算出滿足設(shè)計(jì)功率和傳動(dòng)比的不同齒數(shù)、行星輪個(gè)數(shù)的行星機(jī)構(gòu)，進(jìn)行校核后分別給出了效率最高、重量最輕、尺寸

8、最小的前50種組合；第二輪優(yōu)化將前面研究分析結(jié)果帶入優(yōu)化程序，考慮變位系數(shù)對(duì)直齒輪、斜齒輪瞬態(tài)齒間嚙合效率的影響，考慮行星輪的相位差對(duì)齒間瞬態(tài)嚙合效率的影響，考慮直齒輪、斜齒輪攪油功率損失的影響，考慮行星輪卷吸功率損失的影響，得到多參數(shù)優(yōu)化后的行星輪結(jié)構(gòu)配比，建立其三維模型，為進(jìn)一步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、強(qiáng)度有限元分析提供源文件。
　　最后：試制了一臺(tái)5kW風(fēng)機(jī)增速箱樣機(jī)，搭建了30kW能量封閉式電加載的齒輪效率實(shí)驗(yàn)臺(tái)，自行設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)原理