试析齿轮风力发电机行星齿轮传动系统变载荷激励动力学特性

论文导读：模拟的AR（AutoRegressive，AR）模型；运用风力机气动论述建立了风力机气动载荷计算模型；根据电机论述，基于旋转电机矩阵浅析策略推导了变速恒频发电机的能量转换联系和电磁转矩表达式，建立了双馈感应发电机（DoublyFedInductionGenerator，DFIG）矢量制约模型；根据机械系统动力学，建立了风力发电传动系统的等效动力学模型。在此基
摘要：齿轮增速箱是风力发电机组的关键部件，由于其在随机自然风场和高空架设等利用环境下运转，要求比一般机械系统具有更高的可靠性和利用寿命。兆瓦级风力发电机组多采取行星齿轮传动系统，具有低速重载变载荷变转速运转的特点，在随机风的作用下受到频繁的扰动和激励，动力学特性十分复杂，对系统可靠性及机组运转稳定性有较大影响。针对风力发电传动系统的实际工况特点，探讨行星齿轮传动系统动态性能，有利于突破大型风电能源装备传动装置的核心技术，推动大型风电传动装备设计制造的国产化进程。本课题是国家自然科学基金项目（50975294）探讨内容的组成部分，在引入以随机风载为主要外部激励，并考虑主要内部激励的条件下，探讨风力发电机行星齿轮传动系统的动力学特性，主要探讨内容包括：①风力发电机传动系统外部载荷特性探讨根据自然风的谱特性，基于随机信号谱估计策略建立了用于随机风速模拟的AR（AutoRegressive，AR）模型；运用风力机气动论述建立了风力机气动载荷计算模型；根据电机论述，基于旋转电机矩阵浅析策略推导了变速恒频发电机的能量转换联系和电磁转矩表达式，建立了双馈感应发电机（Doubly Fed InductionGenerator，DFIG）矢量制约模型；根据机械系统动力学，建立了风力发电传动系统的等效动力学模型。在此基础上，综合上面陈述的各数学模型，同时考虑DFIG及风力机叶片桨距角的制约策略，建立了反映风力发电机组运转历程的风-机-电联合仿真模型，利用该模型进行仿真计算，得到风电传动系统的外部动载荷，并浅析了该动载荷的作用规律和性质。②行星齿轮传动系统动力学模型及动态激励根据机械振动论述，将齿轮副处理为啮合线上的阻尼弹簧，并考虑支承轴承的弹性，采取集中参数法建立行星齿轮系统的扭振-平移动力学模型，并导出其振动微分方程，并对行星齿轮系统的轮齿啮合刚度、轴承支承刚度、行星轮啮合相位和外部变载荷等主要激励因素进行了浅析。③行星齿轮系统齿轮轴承刚度变化下的固有振动特性探讨在计算系统固有频率及振型的基础上，浅析了轮齿啮合刚度和各支承轴承刚度对系统固有频率的影响，以及系统刚度影响下的模态跃迁现象。采取Fourier级数表示轮齿啮合时变刚度，基于Hertzian接触论述建立轴承刚度表达式，并考虑行星轮啮合相位联系，浅析了行星齿轮系统刚度的时变规律，探讨了系统在刚度时变条件下的频率特点及自由振动特性。④风电行星齿轮系统变载荷激励机理及动态响应特性探讨对于变载荷作用导致转速变化和弹性变形的行星齿轮系统，利用能量法浅析了变载荷作用下系统动能和势能及转换联系，结合内容②的论述推导结果，以Lagrange函数为基础，导出了变载荷作用下考虑转速波动的行星齿轮系统振动微分方程，探讨了变载荷对系统振动的激励机理，浅析了载荷激励对系统振动频率的影响。在同时考虑系统刚度时变性和变载荷激励的条件下，采取Newmark策略求解了系统的动态响应，通过对求解结果进行浅析，得到系统在内外部激励下的动态响应特性。⑤风电行星齿轮系统振动响应特性试验探讨构建了背靠背台架试验系统，制定了风力发电齿轮系统动力学性能测试案例。分别在稳定和非稳定驱动/负载载荷工况条件下测量了传动系统的振动信号，通过比较浅析稳定和非稳定载荷工况下的响应结果，获得变载荷对系统振动响应的影响规律，以而验证了论述模型和探讨策略的正确性。关键词：风力发电论文齿轮动力学论文行星齿轮传动论文动态特性论文变载荷论文
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ABSTRACT5-11
1 绪论11-29

1.1 课题来源及探讨背景11-16

1.1 风力发电概述11-12

1.2 风力发电机及其传动系统概述12-14

1.3 低速重载行星齿轮增速传动14-16

1.2 风力发电传动系统探讨近况16-26

1.2.1 风电传动系统随机风载探讨16-20

1.2.2 齿轮动力学探讨20-26

1.3 本论文的主要内容及技术路线26-29

1.3.1 本论文的主要内容26-27

1.3.2 本论文的技术路线27-29

2 风电传动系统外部载荷计算论述基础29-45

2.1 随机信号论文导读：

的谱估计及其模拟策略29-34
2.

1.1 平稳随机信号及其功率谱29-30

2.

1.2 随机信号的功率谱估计30-32

2.

1.3 随机信号的参数模型32-34

2.2 风力机气动论述基础34-37

2.1 动量定理与叶素论述34-36

2.2 气动性能计算的修正策略36

2.3 风力机气动载荷计算策略36-37

2.3 变速恒频发电机浅析论述37-41

2.3.1 变速恒频发电机基本原理37-38

2.3.2 发电机的功率与电磁转矩38-40

2.3.3 发电机矢量制约模型40-41

2.4 发电机组基本制约原理41-44

2.4.1 变桨距风力机基本制约对策42

2.4.2 最大风能追踪制约策略42-43

2.4.3 转速/转矩限制与功率限制43-44

2.5 本章小结44-45

3 风力发电传动系统外部载荷仿真与特性浅析45-59

3.1 随机风速模拟45-48

3.

1.1 风速模型建立45-47

3.

1.2 时程风速数值模拟47-48

3.2 风力机气动性能计算48-50

3.3 传动系统等效模型及机组制约对策50-52

3.1 传动系统等效动力学模型50-51

3.2 风电机组的变速制约51-52

3.3 桨距角的调节52

3.4 风力发电机组运转仿真52-54

3.4.1 仿真模型的建立52-53

3.4.2 数值仿真算例53-54

3.5 风电传动系统随机载荷特性浅析54-56

3.5.1 变化走势比较浅析54-55

3.5.2 相关性浅析55

3.5.3 功率密度谱比较55-56

3.5.4 概率密度与分布函数56

3.6 本章小结56-59

4 风力发电机传动系统动力学模型及动态激励浅析59-71

4.1 行星齿轮系统动力学模型59-65

4.

1.1 坐标系统与弹性变形59-61

4.

1.2 行星齿轮系统受力浅析61-62

4.

1.3 行星齿轮系统振动微分方程62-65

4.2 系统的动态激励浅析65-69
4.

2.1 齿轮啮合刚度66-67

4.

2.2 行星轮啮合相位角67-68

4.

2.3 轴承支承刚度68-69

4.3 本章小结69-71
5 行星齿轮传动系统固有振动特性探讨71-91

5.1 系统的固有频率与振型71-72

5.2 固有频率对系统参数的敏感度72-79

5.

2.1 敏感度的定义74-75

5.

2.2 系统刚度对固有频率的影响75-77

5.

2.3 模态跃迁现象77-79

5.3 系统刚度时变时的固有频率浅析79-84
5.

3.1 系统刚度的时变规律79-81

5.

3.2 时变刚度下的固有频率浅析81-84

5.4 自由振动时频浅析84-89

5.5 本章小结89-91

6 变载荷激励下风电行星齿轮系统动态特性91-103

6.1 变载荷激励机理浅析91-95

6.

1.1 变载荷作用下的系统能量91-92

6.

1.2 变载荷的激励机理92-94

6.

1.3 变载荷激励对固有频率的影响94-95

6.2 变载荷激励下的响应浅析95-99
6.

2.1 动态响应96-97

6.

2.2 频谱浅析97-99

6.3 内、外部激励同时作用下的动态响应99-101
6.

3.1 动态响应的时程位移99-100

6.

3.2 系统的响应频率100-101

6.4 本章小结101-103
7 风力发电机行星齿轮系统动力学特性试验探讨103-117

7.1 试验原理简述103-105

7.

1.1 试验探讨目的103

7.

1.2 试验策略与流程103-105

7.2 试验台的系统构成105-108
7.

2.1 试验台传动系统布置105-107

7.

2.2 振动测试及其测点布置107-108

7.3 试验测试数据及其后处理108-115
7.

3.1 空载试验测试与浅析108-111

7.

3.2 加载试验测试与浅析111-115

7.4 试验结论115-116

7.5 本章小结116-117

8 全文总结117-121
8.1 论文主要工作及其结论117-118
8.2 论文的主要革新点118-119
8.3 继续探讨方向展望119-121
致谢121-123
参考文献123-137
附录137
A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录137
B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目137