風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)隨機振動分析及動力可靠性概率優(yōu)化設計.pdf

1、風力發(fā)電機工作環(huán)境惡劣，常年經受無規(guī)律的變向變負荷的風力作用及強陣風的沖擊，加之高空架設、維修困難等原因，對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械系統(tǒng)高得多的要求。作為風力發(fā)電機傳動系統(tǒng)的關鍵部件，齒輪傳動系統(tǒng)需要承受高度不穩(wěn)定的隨機動載荷和比其他傳動機構高得多的疲勞循環(huán)，是風力發(fā)電機失效率最高的部件之一。因此，研究風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)的動力學行為和可靠性對提高風力發(fā)電機的穩(wěn)定可靠運行有重要的現(xiàn)實意義。
　　本文結合國家自然科學基

2、金資助項目（50975294）——“基于柔性多體動力學的風電傳動系統(tǒng)可靠性研究”的研究任務，依據(jù)風力發(fā)電機的實際工況，針對其齒輪傳動系統(tǒng)的動力學和可靠性等問題進行了深入研究。主要研究內容包括以下幾個方面：
　?、亠L力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)固有特性分析。
　　基于齒輪動力學理論和Lagrange方程，運用集中參數(shù)法建立了某1.5MW風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)的純扭轉動力學模型。將風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)中齒輪的彈性模量、質量密度、工作齒

3、寬和分度圓直徑視為隨機變量，根據(jù)隨機攝動理論推導了系統(tǒng)特征值統(tǒng)計特征的表達式。應用隨機攝動法研究了齒輪物理參數(shù)和幾何參數(shù)隨機變異時系統(tǒng)固有頻率的統(tǒng)計特征，定量分析了各參數(shù)隨機變異對系統(tǒng)固有頻率的影響。
　?、陲L力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)隨機振動分析。
　　考慮齒輪時變嚙合剛度、綜合傳遞誤差和阻尼等因素，建立了考慮制造誤差的風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)純扭轉動力學模型?；陔S機波動(SV)模型來獲取風場的隨機風速序列，根據(jù)空氣動力學理論得

4、到了齒輪傳動系統(tǒng)的外部激勵。系統(tǒng)地分析了風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)的內部激勵特征，對剛度激勵和傳遞誤差進行了分析和模擬。提出了風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)外部載荷和參數(shù)隨機變異時系統(tǒng)動態(tài)響應的求解方法。通過數(shù)值仿真得到了載荷和參數(shù)隨機變異時系統(tǒng)各響應量和齒輪副間動態(tài)嚙合力的統(tǒng)計特征，并分析了載荷和參數(shù)隨機變異對系統(tǒng)動態(tài)響應的影響。
　?、圯d荷和參數(shù)隨機性對系統(tǒng)動力可靠性的影響分析。
　　依據(jù)雨流計數(shù)原則，對各齒輪副的動態(tài)嚙合力進行循環(huán)

5、計數(shù)，得到變幅疲勞載荷的頻次數(shù)。采用Geber二次曲線等效方法計算得到了隨機風載作用下傳動系統(tǒng)等效應力幅值和頻次。建立了基于概率疲勞累積損傷理論的風電齒輪傳動系統(tǒng)動力可靠度模型，利用概率疲勞累計損傷理論推導計算了零件及系統(tǒng)的動力可靠度。研究了各參數(shù)隨機變異時系統(tǒng)動力可靠度隨時間的變化規(guī)律。分析了參數(shù)隨機性對傳動系統(tǒng)動力可靠度的影響，并將計算結果與Monte-Carlo法的計算結果進行了對比。
　?、芑趧恿煽啃缘南到y(tǒng)概率優(yōu)化設計

6、
　　根據(jù)風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)的結構模型，以傳動系統(tǒng)各構件扭轉位移均值和體積最小為優(yōu)化目標，以影響傳動系統(tǒng)動態(tài)性能和可靠性的參數(shù)為優(yōu)化設計變量，以傳動系統(tǒng)的可靠度、參數(shù)隨機性對可靠性的影響、以及各輪齒正常嚙合的條件和強度等為約束條件，建立了用于風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)可靠性概率優(yōu)化設計的數(shù)學模型。對系統(tǒng)優(yōu)化問題的求解方法進行了探討。對風力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)進行了實例優(yōu)化，并將優(yōu)化結果與設計結果和Monte Carlo法的優(yōu)化結果進