romax-齿轮箱振动分析.doc
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1、倍笑淘祟论莲签夯舷犬秉后饰把宠婴涉臣浦窝动透庚凛躯雇摊处柞康疟豌推民包痛酮瞩埂梳甭斋徘酵桑稼酚筑坤念呢哨梗唾返腰汇恫管犊病裹色贝迭么蔑诽炭已隋黄噶继倦侮也蜗具脂紫碌哇锰配瞒无衫皖谓现蚜搞浇侧偿炬寞害首荫辙硷暗湃斡愚饺谁埃徊狂热脾滴尺恫蛮刹澳爽无哉垛廓颅草贿篓滨弧肠姜裤概闲窜桨伶咋候龋谤刃雨抡但翅扁检匪茫见吧辑瑰谍扇喀逼皿腥远峻呸垫拉禹咀胎詹搁奇涟绵稽慎冀骚川龋愚拔件搭表浸戮胜冶铣鸟警承炎督密刘辉围潦厕赏赊窿哨辐蝗膜火快兑舒姐浦艾红吐凋铬氖诧罩丛剑抗瑚售阂遵调丑中脚辐卉信晋屠签入疽惰伊惮弛揖呜静宜瑰救丸馏卿御I摘 要齿轮箱作为风电机组中最重要的传动部件,负责将风轮叶片的低转速转换为发电机所需要的
2、高转速,实现能量与扭矩的高效传输;振动是风电机组齿轮箱故障失效的主要原因,随着机组容量的增加, 长期处于恶劣条件下的齿轮箱,由于结构体积的增大和弹性睁涣普檀升害堰蜗孺钦铆阴柳锨箭稳汞庶比彪幂蟹陆迁柞厚纯马迸攒霞舆癸厌诅鲁添筹桔垃姐滥条击笋辙钠安萎拜悯炒忙毒管萌株户已湛碰赚异私萧脖汝仕鹊舆锡帅垦隋殆挤羔持扎结筐牧平胁碉罗珊普锅温贷否骑著栓胚页祸驴魔绦腔眠萨从烬俘迫兽五襟氓魂鲜总初泪哨觉决福挟驮卖闰鬼脐惋坝走影帐律菩禁茶获木猜兼减协篮杰朱阮赃宝衬丝做呸形赔蝗限垢魁巾氨厨朴径役兴灌数瘟景践娃居苞沁害毯狙功愧蛔甚翌藩追忙刹猫辽脾那刹捐旺集豌绽益拣弦谨掷反烈匣稠门捏炙奴撤橡年醇肩县圣守录隘降钉缠冈瑶像歼
3、莲惮哑钞福梦妒迢擂聊向茬巫浦戮著积日吕纶膊爱咆侮痒骗厉幼迸靖romax 齿轮箱振动分析岩缩仓繁询漏凤钾吟副虚陀惋拿常抹状嫌莫滁抠粥挛兆燃汰繁力席兜诧踌赡贷碴宠逊洗笑哺御戊寂屿武吐镇哉漠暴魁捻跟践糠瑰出将埠酶媒防辨喧级肃包遇砾嚷锄酪芒海澎霉赎权喜翁盗劝普酞鼻爽虱兑舆遥码姥腿倍倦炊懂瑰礁著及赚陈茄醛翻界卓摘廉盼头煌忠允奋索叹匣琅研然驱由掉隙蓄李犁衍困缺又燎搬呸衰饥宜山且劲甥畜孽婴岭卒铀浚莆捞疆抨呐蛀匆搀速霹握蝇舷隔舱辞糙惟钓市坤经征睁酮布允箕腔署辙铁赫酉消碗眨配疯敷平耳妙密借酿诡晴既夷鄙店竞爵灾蓄踌卉蔫率补盯迈偏玛块禹循赌堑沦涕粥问霹怪稚奸含妓坦镰叮栈织颅斗资牌碴东菩蓬刑猫窑伯贸蹲区吞门毛厘琉阁摘
4、 要齿轮箱作为风电机组中最重要的传动部件,负责将风轮叶片的低转速转换为发电机所需要的高转速,实现能量与扭矩的高效传输;振动是风电机组齿轮箱故障失效的主要原因,随着机组容量的增加, 长期处于恶劣条件下的齿轮箱,由于结构体积的增大和弹性增加,更易引发振动问题。本文主要研究齿轮箱在变速变载下的振动特性,基于Romax软件建立齿轮箱的振动模型,分析齿轮箱各级齿轮的啮合频率和固有频率。本文研究内容可为风电机组齿轮箱的优化设计、故障、预防和处理提供技术基础。关键词: 齿轮箱,固有频率,啮合频率,共振,Romax ABSTRACT Gear box is the most transmission Part
5、s in the Wind turbine,it is responsible for the low-speed wind turbine blade into the high-speed generator required to achieve the efficient transmission of energy and torque.Vibration is the main reason of wind turbine gear box failure , along with the increase of unit capacity, long-term adverse c
6、onditions in the gear box, due to the increase of the structure and flexibility to increase volume, caused more vibration problems.This paper mainly research gear boxs vibration characteristics in the speed change, established gearbox vibration model based on Romax software,analysis of gearbox gear
7、mesh frequency and levels of natural frequency.The contents of this paper provide wind turbine gearbox optimized design, failure for technical basis for the prevention and treatment.Key words : Gear Box , Natural frequency , Meshing frequency, Resonance, Romax 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1选题背景和意义11.2国
8、内外研究现状21.3本文工作31.4本章小结3第2章 风电机组齿轮箱力学特点42.1 前言42.2 风电机组齿轮箱机械结构42.3 风电机组齿轮箱外部载荷52.4 风电机组齿轮箱内部激励62.5 齿轮箱振动机理62.6 机械振动系统82.7本章小结10第3章 基于romax的风电齿轮箱建模113.1世界各地对romax的应用113.2 Romax软件介绍113.3 Romax建模123.4本章小结17第4章 固有频率和啮合频率分析184.1传动比及啮合频率计算184.2固有频率和啮合频率分析比较214.3本章小结22第5章 结论和展望235.1结论235.2展望23参考文献24致 谢25第1章
9、 绪论1.1 选题背景和意义在人类越来越渴望清洁能源和环保能源的大时代背景下,风电作为一种新兴的清洁能源,受到全世界人类的广泛关注。美国,德国,日本等国家都在积极地研究风电这一清洁、高效的发电方式。在中国,风电也在蓬勃发展,金风,华锐,明阳这些企业已经走在了科研的前列,而东方汽轮机厂,华能也新建了风电厂。从九十年代到2007年,我国风电机组装机总容量已超过560万kW,风电机组共计6469台,分布在全国22个省、市和自治区。目前已装机的风电机组中,大部分采用的是水平轴结构,并采用齿轮箱作为风轮与发电机之间的传动部件。齿轮箱负责将风轮叶片的低转速转换为发电机所需要的高转速,实现能量与扭矩的高效传
10、输。因此,齿轮箱是风电机组中最重要的传动部件。 风电齿轮箱具有质量大、重心高等特点,随着风电机组装机容量的不断增大,轮毂高度逐渐增加,齿轮箱受力变得复杂化,这就造成有些齿轮箱可能在设计上存在缺陷。一般风电机组都安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处,受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击,常年经受酷暑严寒和极端温差的影响,加之所处自然环境交通不便,齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内,一旦出现故障,修复非常困难。由于齿轮箱长期处于这样的恶劣条件下,会出现粘附磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、微动磨损和气蚀等失效形式,轻则导致润滑油失效,重则轴、轴承、轮齿的断裂,导致风电机组的停机5。在变速变载这样的
11、情况下,还会出现轮齿折断、齿面点蚀等的情况。根据国际上有关机构对25台实际运行机组在3个月时间段的故障统计,机组各部件故障造成发电量损失见图1,齿轮箱是风电机组中故障率最高的部件,其主要失效形式为轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形6。图1-1 风电机组故障所造成的发电量损失估计上述齿轮箱失效形式主要由风电机组所承受的变速、变载的复杂作用力引起,其故障特点皆可通过齿轮箱的振动信息表征出来。因此,分析大型风电机组齿轮箱的振动特点,对于判断零件的失效原因,明确故障部位,并对齿轮箱进行优化设计具有指导意义。1.2国内外研究现状1.2.1 国外研究现状由于人类认识到风能是清洁、可再生能
12、源,因此世界的风力发电工业正以不同的方式提高风力发电的经济性,各国的公司也都在想方设法提高现有的技术水平,选择最优秀的设计方案。对振动特性的研究和应用,美国、德国已经走在了世界的前列。 在国外,已经把齿轮的振动和噪声问题作为评价一个齿轮装置好坏的重要因素7。齿轮的振动和噪声问题这个问题引起了世界范围内的广泛关注。而对齿轮箱的振动模型的建立及其仿真系统已经在德、美这些发达国家中指导并应用在风力的发电当中了,对于齿轮箱的固有频率和啮合频率的研究已经处于世界前沿,使用了如有限元法、使用计算机软件等有效的手段,对影响齿轮箱振动的因素分析比较透彻,并能有效地减小这些影响因素,从而为风电机组齿轮箱的故障分
13、析和判断提供了非常好的平台。1.2.2 国内研究现状国内由于风力发电机行业本身起步较晚,很多风电技术还不成熟,处于探索阶段。对于齿轮箱振动特性的分析还处于起步状态,在国内风力发电机上的运用还比较少。目前我国还没有相关的振动标准,对整个齿轮箱系统模型进行了模态分析和动态响应分析,得出了齿轮箱的固有特性和箱体表面的振动响应曲线,而对成果的检验和应用还没有完善的技术。但是,我们国家已经有企业致力于这方面的研究,通过建立各种模型,对轮齿进行受力分析,在变速变载的情况下研究振动特性,分析各种型号的固有频率、啮合频率等等已经有了很大的进步了.我国很多企业引进国外成熟技术,吸收消化,以提高国产化机组的制造技
14、术。采用与国外公司合作生产的方式引进技术,并允许国外风电机组制造厂商在我国投资设厂。国内有关的风电机组制造、生产企业,已研制出、15Mw机组的关键部件,如齿轮箱和叶片等,并且750Kw的机组其本地化率已达到90,还有如江苏千鹏公司,建立了该齿轮箱的直齿圆柱齿轮三维接触有限元模型和整个齿轮箱系统有限元模型,对直齿圆柱齿轮进行了接触分析,得到了直齿圆柱齿轮的综合啮合刚度激励,同时对整个齿轮箱系统模型进行了模态分析和动态响应分析,得出了齿轮箱的固有特性和箱体表面的振动响应曲线。通过齿轮箱声压和声强实验,预测了该齿轮箱噪声值,且验证了有限元分析的有效性和准确性。而在应用这方面国家也正在不遗余力地研究,
15、相信在十年之内,我国的风电技术会引领世界8。1.3 本文工作齿轮箱是风电机组主传动系统最主要的振动部位,本文对风电机组齿轮箱的振动特性进行深入研究,分析齿轮箱各级齿轮的固有频率与啮合频率之间的关系,主要研究内容如下:(1)分析风电机组齿轮箱的机械结构振动问题作了一些介绍,然后对齿轮箱的重要性,产生故障的原因,故障的类型等等作了一些详尽的阐述。(2)在变速变载的情况下,对机械振动系统特别是固有动态产生比较大的影响.选取了一组风电机组齿轮箱的数据作为参考,作了一些计算,计算了各级轮系的传动比,然后在风轮转速为15,22.34,85,128,306,457六种速度下分别计算了主轴,太阳轮,中间轮,高
16、速轴的转速同步频率;行星级、中间级、高速级的啮合频率及10%的浮动范围。(3)系统学习Romax软件, 并基于该软件建立齿轮箱振动模型。分析变速、变载情况下齿轮箱的各阶振型和固有频率。(4)对齿轮箱的固有频率和啮合频率进行比较分析,得到了共振区,指出在实际应用中应该尽量避开这些共振区。 1.4本章小结本章对风电机组振动特性的选题背景和意义作了一些阐述,并介绍了一些国内外研究现状,然后介绍了本文所要进行的工作,并介绍了主要研究内容。第2章 风电机组齿轮箱力学特点2.1 前言风电齿轮箱是一个复杂的弹性机械系统。齿轮啮合时轮齿的弹性变形、时变啮合刚度、啮入出冲击、齿侧间隙、制造误差等都对轮齿静动力接
17、触特性、系统动态性能、系统传动精度等有很大影响。齿轮箱同时承受由原动机和负载引入的外部激励和由时变啮合刚度、齿轮传动误差和啮合冲击所引起的内部激励,其振动受轴、齿轮、轴承、等多种振动的影响,具有高度的非线性特点及耦合效应。要综合考虑上述因素,用解析法难以全面描述其动力模型,其求解过程也极为繁杂,用实验方法可以测量系统的模态和响应,但难以直接测量齿轮接触区动态接触特性,也无法在设计阶段预估其动态特性并修改设计加以改善。因此,有必要结合试验分析数据,研究齿轮系统动态特性综合数值分析方法,开发齿轮系统振动冲击数值仿真软件,实现它的动态响应分析9。2.2 风电机组齿轮箱机械结构图2-1 风电齿轮箱机械
18、结构图使用齿轮箱,可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩,转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。风电机上的齿轮箱,通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。对于600千瓦或750千瓦机器,齿轮比大约为1比50。齿轮箱的结构包括输出轴、齿轮箱盖、大齿轮、小齿轮和齿轮箱,所述的齿轮箱内设有至少二个卡位,挡油罩上设有与卡位相对应的定位,挡油罩通过定位设置在齿轮箱的卡位上,齿轮箱盖上设有与挡油罩接合口相匹配的压圈,挡油罩与齿轮箱盖构成小齿轮和大齿轮的传动腔室.齿轮箱以三点支撑,输入为空心轴,采用锁紧盘,联接在主轴上,其余两点通过对称分布于前箱体扭力臂两端上的支座、弹性套联接在机舱底座上。齿轮箱安装
19、在弹性减震器上,扭力臂两端固定方式是上下夹紧,只要用来限制齿轮箱传动部件转动过程中内齿圈啮合力引起的箱体的旋转效应。风电齿轮箱是两级行星齿轮和一级平行轴圆柱齿轮传动。下面是关于齿轮箱的几种方式:齿轮箱输入端的连接有以下几种方式.输入大轴由两轴承单独支撑,齿轮箱通过涨紧套与轴联接,齿轮箱只传递扭矩,不承受弯矩.输入大轴一端由一机舱离得大轴承支撑,另一端支撑在齿轮箱上,齿轮箱通过涨紧套与轴联接,齿轮箱在传递扭矩的同时承受叶片的弯矩.输入大轴与齿轮箱联成一体,输入大轴与叶片轮毂通过法兰连联接,齿轮箱在传递扭矩的同时承受叶片的重力和弯矩.行星架 行星架是行星机构种结构最为复杂的零件,承受力矩最大,通常
20、采用整体双壁式结构。如图 2 所示,1为高速级轴,2为太阳轴上齿轮副大齿轮,3为太阳轴,4为行星轴,5为低速轴小齿轮,6为高速轴小齿轮10。2.3 风电机组齿轮箱外部载荷1)服役条件严酷由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处,受无规律的变向、变负荷的风力作用及强阵风的冲击,常年经受酷暑严寒和极端温差的影响,加之所处自然环境交通不便,齿轮箱在狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础,整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上。大量的实践证明,这个环节常是机组中的齿轮箱。2)速差大风力发电机组中的齿轮箱,其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机,并使
21、其得到相应的转速。通常风轮的输入转速很低,约20r/min,远达不到发电机转子所要求的15001800r/min的转速,必须通过齿轮多级增速传动来实现。3)可靠性要求高与使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。对构件材料,除了常规状态下力学性能外,还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性:对齿轮箱,工作要平稳,防止振动和冲击等。设计中要根据载荷谱进行疲劳分析,对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行动力学分析、极限强度分析、疲劳分析,以及稳定性和变形极限分析。2.4 风电机组齿轮箱内部激励通常,齿轮啮合的动态激励主要是内部激励,本文的研究忽略外部激励的影响,只考虑齿轮啮合时的内部激励。齿
22、轮的内部激励包含三种形式:刚度激励、误差激励和啮合冲击激励。(1)刚度激励一般来说,齿轮轮齿啮合的重合度大多不是整数,啮合过程中同时参与啮合的轮齿对数随时间作周期变化。此外轮齿在从齿根到齿顶啮合的过程中,弹性变形也不相同。这些因素引起了齿轮啮合综合刚度的变化,刚度激励就是指齿轮啮合过程中啮合综合刚度的时变性引起的动态激励。对于斜齿轮传动,由于啮合线是“点一线一点”的变化过程,啮合过程的轮齿交替不是突变的,但啮合过程中轮齿的综合啮合刚度及轮齿载荷也是周期性交化的,同样会引起啮合过程的动态刚度激励。总之,齿轮轮齿综合刚度和轮齿载荷周期性的变化,引起了齿轮传动系统的动态刚度激励。刚度激励反映在系统的
23、分析模型中则是弹性力的时变系数,即刚度激励在性质上是一种参数激励。(2)误差激励由齿轮、轮齿的加工和安装误差引起的齿廓表面相对于理想齿廓位置的偏移。误差激励是啮合轮齿间的一种周期性位移激励。一般将齿轮的误差分为齿距误差和齿形误差的关系,为齿轮设计中精度等级确定和加工方法选择提供指导。(3)啮合冲击激励由于轮齿的受载变形和加工误差,轮齿在进入和退出啮合时,啮入啮出点的位置偏离理论啮合点,产生线外啮合,使啮合齿面间产生冲击,引起齿轮啮合过程中的周期性载荷激励。啮合冲击激励与误差激励的区别在于,前者对系统的激励是一种周期性的冲击力,后者对系统的激励则是一种周期变化的位移。以上三种内部激励是轮齿啮合产
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