風電齒輪箱熱—結構耦合及疲勞損傷研究

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1、浙江理工大學碩士學位論文風電齒輪箱熱-結構耦合及壽命研究摘要相比于傳統(tǒng)化石能源，風能是一種清潔、可再生的新能源，其中風力發(fā)電機是風能利用的主要方式之一。自1981年丹麥建成第一座風電站以來，風電技術不斷發(fā)展，使用成本不斷下降，在考慮環(huán)境成本的情況下風電已經(jīng)可以媲美煤電。我國的風電發(fā)展前景較好，自上世紀90年代以來，在國家一系列新能源政策的激勵下，2013年我國新增裝機容量與累積裝機容量均居世界第一。風力發(fā)電機主要有水平軸與垂直軸的兩種主要傳動方式，因水平軸多級傳動結構具有風能轉換效率較高、軸距較短的優(yōu)勢，為當今國際上各大兆瓦級風機廠家采用。一般風機葉片受風力推動

2、低速轉動（約13rpm），而在發(fā)電機部分需要主軸高速旋轉（約1200rpm），整個傳動系統(tǒng)的總速比約100倍，這使得齒輪箱系統(tǒng)結構異常復雜，故障較多，可靠性和壽命較低，不能滿足工程對風電齒輪箱的壽命與可靠性要求，如國際上多數(shù)品牌風機的齒輪箱發(fā)生故障率約為9.8%，但是齒輪箱故障造成的停機時間卻占約為19.4%，表明齒輪箱故障修復困難，造成停機損失較大。常見的風電齒輪箱故障分析主要針對于傳動系的結構力學分析，但實際上，由于兆瓦級風電齒輪箱屬于重載傳動，其輪齒在表面嚙合過程中因摩擦而存在發(fā)熱較大的現(xiàn)象，導致齒面的溫度升高及相應的熱應力。盡管齒輪箱都有潤滑和溫控系統(tǒng)，

3、但齒輪嚙合而產(chǎn)生的大量熱量并不能完全、及時排除，熱應力也必然疊加在系統(tǒng)原有的結構應力上，齒輪熱-結構應力的耦合使齒輪受力的形式更為復雜，并會進一步降低齒輪的可靠性和疲勞壽命。因此，如何綜合各種因素，研究風電齒輪箱的可靠性與壽命問題，對風電機組、風電整機企業(yè)、齒輪箱制造企業(yè)等都具有重要意義。本文針對風電齒輪箱嚙合過程的熱-結構耦合工況進行分析，以某齒輪箱公司現(xiàn)有的2.5MW齒輪箱為研究對象，利用PROE軟件建立了齒輪箱的數(shù)值模型，對太陽輪、行星輪齒頂進行修形，并將其裝配；利用PROE與有限元軟件的對接接口導入到有限元軟件并將模型微調(diào)，劃分網(wǎng)格，設置接觸施加載荷后再

4、設置求解器，進行ANSYS動力學分析和熱-結構耦合動力學分析；將得出的齒面動態(tài)接觸應力值用于齒輪箱傳動齒輪疲勞損傷研究。本文分析結果表明：在正常載荷狀況下，純動力學應力結果較熱-結構耦合分析應力平均小65.4MPa，從而使得不考慮熱-結構耦合效應的疲勞壽命大于實際壽命，造成故障的多發(fā)；本文以熱-結構耦合應力分析結果為依據(jù)計算疲勞損傷度，對象齒輪箱可靠度為0.999時齒輪箱行星輪系損傷度小于1，滿足設計要求。I浙江理工大學碩士學位論文風電齒輪箱熱-結構耦合及壽命研究關鍵詞：風電齒輪箱，熱-結構耦合，動力學，疲勞損傷II浙江理工大學碩士學位論文風電齒輪箱熱-結構耦合

5、及壽命研究AbstractComparedtotraditionalfossilenergy,windenergyisanewcleanrenewableenergy,whichismainlyusedinwindturbine.SincethefirstwindpowerstationwasbuiltatDanishin1981,thewindturbinetechnologyhasdevelopedfast.Furthermore,thewindenergyiscomparabletocoalenergyifwetakeenvironmentalcostin

6、toconsideration.Aswell,agoodprospectinwindenergyhasbeendevelopedinourcountry.Chinahaspromulgatedaseriesofincentivepoliciestomakeprogressinwindenergyfieldsincethelastnineteenthcentury.In2013,bothofthecumulativeinstalledcapacityandnewlyinstalledcapacityinchinarankedfirstaroundtheworld.

7、Therearetwomaintransmissionmodeswhicharehorizontalaxisandverticalaxisinthewindturbine.Withtheadvantageofhigherwindenergyconversionandshorterwheelbase,multi-leveltransmissionstructureislargelyusedbymajorinternationalmanufacturers.Ordinary,fanbladespushedbythewindinalowspeed(approximat

8、ely13rpm),wh