风电齿轮箱热—结构耦合及疲劳损伤研究

《风电齿轮箱热—结构耦合及疲劳损伤研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、浙江理工大学硕士学位论文风电齿轮箱热-结构耦合及寿命研究摘要相比于传统化石能源，风能是一种清洁、可再生的新能源，其中风力发电机是风能利用的主要方式之一。自1981年丹麦建成第一座风电站以来，风电技术不断发展，使用成本不断下降，在考虑环境成本的情况下风电已经可以媲美煤电。我国的风电发展前景较好，自上世纪90年代以来，在国家一系列新能源政策的激励下，2013年我国新增装机容量与累积装机容量均居世界第一。风力发电机主要有水平轴与垂直轴的两种主要传动方式，因水平轴多级传动结构具有风能转换效率较高、轴距较短的优势，为当今国际上各大兆瓦级风机厂家采用。一般风机叶片受风力推动

2、低速转动（约13rpm），而在发电机部分需要主轴高速旋转（约1200rpm），整个传动系统的总速比约100倍，这使得齿轮箱系统结构异常复杂，故障较多，可靠性和寿命较低，不能满足工程对风电齿轮箱的寿命与可靠性要求，如国际上多数品牌风机的齿轮箱发生故障率约为9.8%，但是齿轮箱故障造成的停机时间却占约为19.4%，表明齿轮箱故障修复困难，造成停机损失较大。常见的风电齿轮箱故障分析主要针对于传动系的结构力学分析，但实际上，由于兆瓦级风电齿轮箱属于重载传动，其轮齿在表面啮合过程中因摩擦而存在发热较大的现象，导致齿面的温度升高及相应的热应力。尽管齿轮箱都有润滑和温控系统，

3、但齿轮啮合而产生的大量热量并不能完全、及时排除，热应力也必然叠加在系统原有的结构应力上，齿轮热-结构应力的耦合使齿轮受力的形式更为复杂，并会进一步降低齿轮的可靠性和疲劳寿命。因此，如何综合各种因素，研究风电齿轮箱的可靠性与寿命问题，对风电机组、风电整机企业、齿轮箱制造企业等都具有重要意义。本文针对风电齿轮箱啮合过程的热-结构耦合工况进行分析，以某齿轮箱公司现有的2.5MW齿轮箱为研究对象，利用PROE软件建立了齿轮箱的数值模型，对太阳轮、行星轮齿顶进行修形，并将其装配；利用PROE与有限元软件的对接接口导入到有限元软件并将模型微调，划分网格，设置接触施加载荷后再

4、设置求解器，进行ANSYS动力学分析和热-结构耦合动力学分析；将得出的齿面动态接触应力值用于齿轮箱传动齿轮疲劳损伤研究。本文分析结果表明：在正常载荷状况下，纯动力学应力结果较热-结构耦合分析应力平均小65.4MPa，从而使得不考虑热-结构耦合效应的疲劳寿命大于实际寿命，造成故障的多发；本文以热-结构耦合应力分析结果为依据计算疲劳损伤度，对象齿轮箱可靠度为0.999时齿轮箱行星轮系损伤度小于1，满足设计要求。I浙江理工大学硕士学位论文风电齿轮箱热-结构耦合及寿命研究关键词：风电齿轮箱，热-结构耦合，动力学，疲劳损伤II浙江理工大学硕士学位论文风电齿轮箱热-结构耦合

5、及寿命研究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