风电半直驱增速齿轮箱动力学响应分析.pdf

年第 期风电半直驱增速齿轮箱动力学响应分析刘林,卜忠颉,熊顺,段萌(哈电风能有限公司,湖南 湘潭 ;海上风力发电装备与风能高效利用全国重点实验室,湖南 湘潭 );湖南精益传动软件科技有限公司,湖南 株洲 )摘要:本文基于某 MW风电半直驱主增速箱,利用精益传动软件建立动力学系统分析模型.先确定合理的齿轮修形参数,再以齿轮箱中的齿轮啮合传递误差作为激励,采用齿轮、轴、轴承和齿轮箱耦合的方法求得齿轮箱体表面节点的动力学响应,在壳体个关键位置布置状态监测传感器,进行仿真分析.看各测点结果是否满足试验大纲要求,以验证设计方案的可行性.通过样机台架试验,将各测点仿真分析与试验结果的最大响应值作对比,以验证分析模型的可靠性.结果表明:各测点最大响应值的仿真分析与试验结果的误差不超过,仿真结果具有较高的可信度;且各测点仿真分析与试验结果均低于 m/s,满足振动加速度指标要求,说明方案设计的可行性,能够为风电齿轮箱的设计提供理论参考.关键词:风电;半直驱;动力学响应;传递误差中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()D y n a m i cR e s p o n s eA n a l y s i so fW i n dP o w e rS e m iD i r e c tD r i v eS p e e dI n c r e a s i n gG e a r b o xL i uL i n,B uZ h o n g j i e,X i o n gS h u n,D u a nM e n g(H a r b i nE l e c t r i cW i n dP o w e rC o,L t d,H u n a nX i a n g t a n ;N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r yo fO f f s h o r eW i n dP o w e rG e n e r a t i o nE q u i p m e n t a n dE f f i c i e n tU t i l i z a t i o no fW i n dE n e r g y,H u n a nX i a n g t a n ;H u n a nJ i n g y iT r a n s m i s s i o nS o f t w a r eT e c h n o l o g yC o,L t d,H u n a nZ h u z h o u )A b s t r a c t:B a s e do na MWw i n dp o w e r s e m i d i r e c t d r i v em a i ng e a r b o x,t h i s p a p e r u s e s l e a n t r a n s m i s s i o n s o f t w a r et oe s t a b l i s had y n a m i c s y s t e ma n a l y s i sm o d e l F i r s t l y,t h er e a s o n a b l eg e a rm o d i f i c a t i o np a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d,a n dt h e n t h eg e a rm e s h i n g t r a n s m i s s i o ne r r o r i n t h eg e a r b o x i s t a k e na s t h ee x c i t a t i o n T h ed y n a m i c r e s p o n s eo f t h es u r f a c en o d e so f t h eg e a r b o x i so b t a i n e db y t h e c o u p l i n gm e t h o do f g e a r,s h a f t,b e a r i n ga n dg e a r b o x T h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gs e n s o r s a r e a r r a n g e da t f i v ek e yp o s i t i o n so f t h e s h e l l f o r s i m u l a t i o na n a l y s i s S e ew h e t h e r t h e r e s u l t so f e a c hm e a s u r i n gp o i n tm e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e t e s t o u t l i n e t ov e r i f y t h e f e a s i b i l i t yo f t h e d e s i g n s c h e m e T h r o u g h t h e p r o t o t y p e b e n c ht e s t,t h e s i m u l a t i o na n a l y s i so f e a c hm e a s u r i n gp o i n t i s c o m p a r e dw i t h t h em a x i m u mr e s p o n s ev a l u eo f t h e t e s t r e s u l t s t ov e r i f yt h e r e l i a b i l i t yo f t h ea n a l y s i sm o d e l T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ee r r o rb e t w e e nt h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt h e t e s tr e s u l t so f t h em a x i m u mr e s p o n s ev a l u eo f e a c hm e a s u r i n gp o i n t i s l e s s t h a n ,a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eh i g hr e l i a b i l i t y T h e s i m u l a t i o na n a l y s i s a n d t e s t r e s u l t s o f e a c hm e a s u r i n gp o i n t a r e l o w e r t h a n m/s,w h i c hm e e t s t h e r e q u i r e m e n t so f v i b r a t i o na c c e l e r a t i o n i n d e x,i n d i c a t i n g t h e f e a s i b i l i t yo f t h e s c h e m ed e s i g n,a n d c a np r o v i d e t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r t h ed e s i g no fw i n d t u r b i n eg e a r b o x K e yw o r d s:W i n dp o w e r;S e m i d i r e c td r i v e;D y n a m i c r e s p o n s e;T r a n s m i s s i o ne r r o r作者简介:刘林(),男,湖南生湘潭市,汉族人,硕士研究生,工程师,主要从事风电传动系统研发工作.引言绿水青山就是金山银山,在不可再生能源日渐枯竭的今天,保护环境和发展经济之间如何共存显得尤为重要.风力发电作为一种大众所熟知的可再生能源,与传统的化石能源发电不同,其利用清洁的风能作为激励,在保证巨大发电量的同时并不会对环境造成不良影响.风电增速箱作为风力发电机组中最重要的部件,它的性能直接影响了整个风电机组的寿命.它的系统固有频率、振型、阻尼等动态性能随啮合周期的变化而变化,呈现出一种动态固有特性.本文同时采用有限元法与集中参数法建立系统分析模型,以保证分析模型的真实度,这是一种常用且可靠的建模方法.杨战斌采用集中参数与有限元法,考虑风电齿轮箱实际情况建立动力学分析模型,并得到啮合刚度和构件质量的变动对系统的固有特性有影响.L i m T C等利用集中参数法与有限元法的联合仿真,建立了时不变、离散的齿轮箱线性动力学分析模型,研究了安装刚度及箱体质量对系统动态特性的影响.刘随贤也采用集中参数法,建立了两级行星齿轮系统的扭转动力学模型进行分析并认为综合啮合误差的增大对系统的稳定运行具有负面影响.李润方等基于有限元分析方法,建立了包内燃机与配件w w w n r j p j c n含齿轮、齿轮轴和箱体的完整齿轮箱动力学模型,分析了系统在各内部动态激励下的动态响应,并进行了试验研究,与仿真结果进行了比较.马晓光等建立了风电齿轮箱多体动力学传动链分析模型,对其潜在的共振频率进行评估并通过实验验证了分析结果的准确性.穆塔里夫阿赫迈德等利用动力学方法对行星架进行模态分析,避免行星架固有频率与齿轮啮合频率一致产生共振,并对轴承进行了NVH分析,其研究内容为大功率风电齿轮箱设计提供了方法基础.张锁怀建立了齿轮系统非线性动力学模型,且综合考虑时变啮合刚度、阻尼、齿侧间隙及啮合误差等动态内部激励,研究了齿轮时变系统的强迫振动及拍击振动.朱才朝等建立了风力发电机多级齿轮传动的齿轮传动轴箱体的耦合非线性动力学模型,模型中综合考虑齿轮时变啮合刚度、齿侧间隙和制造误差等内部动态激励,对传动系统进行动态特性分析.魏静 等建立齿轮系统耦合非线性动力学模型,计算了内外部载荷作用下风电齿轮箱的动态响应,将仿真与试验各项结果做对比,为本文的研究提供了参考.国内外许多学者都对风电齿轮箱的动态特性做了详细研究,都是本文研究的重要理论基础,为本文的设计研图三级N GW行星增速系统简图究方法提供了思路.模型建立 建立S o l i d w o r k s三维数学模型该增速箱是三级N GW行星传动结构,其结构简图如图所示.其中N表示参与内啮合的齿轮,如内齿圈;G表 示 公 用 齿 轮(同时参与内外啮合的齿轮),如行星轮,W表示参与外啮合的齿轮,如太阳轮.图中,a、b、c分别表示第一、二、三级行星轮系,齿圈固定.图增速箱三维模型基 于S o l i d w o r k s软件,根据半直驱增速箱 的 设 计 方 案 和 确 定的齿轮宏观参数,建立齿轮箱的三维模型,以便 在 精 益 软 件 中 建 立物理分析模型,如图所示.图中,a表 示 轮毂,b表示主轴,c表示主机架,d表示齿轮箱体,e表示发电机壳体.在实际运行中,风力驱动叶片,带动风力涡轮机,将风能转化成机械能,再通过发电机将机械能转化成电能,最终并网.建立精益软件物理分析模型 精益软件介绍精益传动设计软件是一款吸收国际设计标准规范、集成齿轮/轴承/疲劳/振动/润滑关键技术、支持多任务/多数据快速并行算法、基于齿轮传动整体数字化建模、涵盖整个传动产品设计流程、面向汽车/风电/船舶/燃机的知识驱动型齿轮传动系统设计分析软件.也是一款基于传动系统二三维建模与多物理场耦合的大型传动系统设计与分析软件.建立分析模型在三维数学模型建立完成后,在精益软件中建立齿轮箱的物理分析模型,以铁木辛柯梁单元的形式建立轴、根据齿轮参数生成行星轮系、根据轴承型号在轴承库中选择相应轴承.壳体与行星架等异形件则采用有限元方法,将设置好材料属性的网格模型导入至精益软件中,使分析模型更贴近实际情况.最后在齿轮箱的输入端和输出端上分别加载输入载荷和输出载荷.完整的分析模型如图所示.(a)二维显示(b)三维显示图精益软件分析模型图中,a表示上风向主轴承,b表示下风向主轴承,c、d、e分别表示第一、二、三级行星轮系.动力学响应仿真 动力学响应理论齿轮动态啮合法向激励力F()等于该频率的动态啮合刚度Km()乘以传递误差T E.图齿轮啮合原理图F()Km()T E 动态啮合刚度基于齿轮传动系统振动传递路径分析原理,齿轮动态啮合刚度是齿轮传动系统的综合体现.随着齿轮轴系转速的改变,在主、从动轮啮合齿面间产生单位相对法向变形量时,两齿面间的法向啮合力也随之改变.因此将动态啮合刚度定义为轮齿啮合处受某一频率单位齿面法向位移的周期性激励作用下,在该啮合处所需施加相同频率的法向载荷大小.齿轮传动系统振动分析模型如图所示.其中,p、g分别表示主、从动轮,fp、fg表示齿轮副间的一对相互作用力,为主、从动轮沿啮合线的相对位移量,Km为齿轮副间的啮合刚度.根据动态啮合刚度的定义结合齿轮传动系统振动分析模型,齿轮副动态啮合刚度由主、从动轮单个动态啮合柔度决定.Km()Rp t()Rg t()式中,Km()为动态啮合刚度,Rp t()、Rg t()分别为主、从动轮单个轮齿动态啮合柔度,为齿轮副啮合频率.传递误差理想状态下,两个齿轮刚度无限大无变形,则两个齿轮啮合过程中接触点超过的长度相等.而实际情况下,由于啮合齿轮面的刚度变化,上式两不等,即存在传递误差.传递误差是指输出的实际位移相对于理论位移的差值,传递误差T E为下式所示.T E(RR)d 年第 期图平面齿轮间啮合 传动系统动力学响应壳体某点的动力学位置响应由两部分组成,一部分因动态啮合激励力F()通过作用于主动轮作为激励源,另一部分因动态啮合激励力F()通过作用于从动轮作为激励源.先分析激励力作用于主动轮时的壳体某点动力学响应,提取主动轮中心节点为激励、壳体某点为动力学响应的的动柔度矩阵R()p i.R()p i()p i()p i()p i()p i 通过上述动柔度矩阵R()p i,可以计算出主动轮法向激励载荷F()时,壳体某点的动力学位置响应S()p i.S()p i xS()p i yS()p i zS()p i xS()p i yS()p i zR()p iF()p xF()p yF()p zM()p xM()p yT()p式中:Sp i x、Sp i y、Sp i z分别为以主动轮为激励时壳体某点在x、y、z轴的位置响应,Sp i x、Sp i y、Sp i z分别为以主动轮为激励时壳体某点在x、y、z轴的转角响应,F()p x、F()p y、F()p z分 别 为x、y、z方 向 的 力,M()p x、M()p y分别为x、y方向的弯矩,T()p为扭矩.再分析激励力作用于从动轮时的壳体某点动力学响应S()g i,同理可得:S()g i xS()g i yS()g i zS()g i xS()g i yS()g i zR()g iF()g xF()g yF()g zM()g xM()g yT()g最终,两者相加即可得到壳体某点的动力学位置响应Si.S()i xS()i yS()i zS()i xS()i yS()i zS()p i xS()p i yS()p i zS()p i xS()p i yS()p i zS()g i xS()g i yS()g i zS()g i xS()g i yS()g i z壳体的动力学位置响应Si进行一阶导数可得到动力学速度响应,对其进行两阶导数可得到动力学加速度响应,本文对壳体位置加速度响应做分析对比.动力学响应分析动力学响应是衡量齿轮箱动态性能的重要标准.传递误差是动力学响应的激励,在进行动力学响应分析前,需进行齿轮修形,合理的齿轮修形能降低传递误差,从而提高 主 增 速 箱 的 动 态 性 能.在 精 益 软 件 中,对 该 MW风电主增速箱各级行星齿轮进行齿轮修形,采用迭代法确定最佳修形参数.在此基础上采用齿轮箱额定工况 进 行 计 算 进 行 动 力 学 响 应 分 析.,其 扭 矩 为 k Nm,额定转速为 r p m.动力学响应分析中,选用前三阶传递误差用作动力学响应的激励源,三阶以上传递误差的激励幅值非常小,可以忽略不计.振动加速度传感器布置在壳 体 以 下个 位 置 布 置CM S状 态 监 测 传 感 器(c o n d i t i o nm o n i t o r i n gs e n o r).(a)CM S在总装配体的位置(b)CM S在各零部件的位置图CM S位置图中,CM S、CM S分别表示两个主轴承座测点,CM S 表示前箱体上测点,CM S表示中箱体上测点,CM S 表示后箱体上测点.在精益软件中,对该 MW风电主增速箱上的这个关键位置添加振动加速度传感器,以分析三级齿轮传动链振动响应情况.动力学响应分析结果在额定工况下,对该主增速箱进行仿真分析结果如表表所示,基于V D I 标准的参考,要求振动加速度响应小于 m/s.表第一级行星轮系各测点振动加速度有效值位置振动加速度(m/s)x方向y方向z方向CM S CM S CM S CM S CM S 注:有效值表示在转速范围内的振动加速度最大值.表第二级行星轮系各测点振动加速度有效值位置振动加速度(m/s)x方向y方向z方向CM S CM S CM S CM S CM S 表第三级行星轮系各测点振动加速度有效值位置振动加速度(m/s)x方向y方向z方向CM S CM S CM S CM S CM S 根据上述仿真分析结果可知,在转速范围内传动链内燃机与配件w w w n r j p j c n箱体各测点的振动加速度全部低于 m/s,满足振动加速度指标要求.CM S测点位置的最大加速度响应为 m/s;CM S测 点 位 置 的 最 大 加 速 度 响 应 为 m/s;CM S测 点 位 置 的 最 大 加 速 度 响 应 为 m/s;CM S测 点 位 置 的 最 大 加 速 度 响 应 为 m/s;CM S测 点 位 置 的 最 大 加 速 度 响 应 为 m/s.各测点测得的最大值均由三级行星轮系传递误差激励引起.齿轮箱本体的振动响应状态性能良好,由齿轮箱本体引起的振动响应风险较低.台架试验搭建齿轮传动试验台,样机的振动加速度传感器位置和分析模型布置一致,进行振动测试,如图所示.图风电半直驱增速齿轮箱振动测试台架试验振动测试结果如图图 所示.图CM S 测点位置振动加速度曲线图CM S 测点位置振动加速度曲线图 CM S 测点位置振动加速度曲线图 CM S 测点位置振动加速度曲线图 CM S 测点位置振动加速度曲线从图图 可知,在 r p m的转速范围内,CM S测点位置的最大加速度响应为 m/s;CM S测点位置的最大加速度响应为 m/s;CM S测点位置的最大加速度响应为 m/s;CM S测点位置的最大加速度响应为 m/s;CM S测点位置的最大加速度响应为 m/s,均低于 m/s的设计要求,均是由三级行星轮系一阶传递误差激励引起.结论本文以某 MW风电主增速箱作为研究对象,采用集中参数法与有限元法相结合,利用精益软件建立系统分析模型,在考虑系统变形的前提下进行仿真分析,以保证分析结果的可靠性.并进行样机台架试验,将仿真分析结果与试验结果做对比.()由仿真与试验结果对比可知,两者结果相差不大,CM S 相差,CM S相差,CM S相差,CM S 相差,CM S相差,各测点最大响应值的仿真分析与试验结果的误差不超过,仿真结果具有较高的可信度,也验证了精益软件齿轮传动系统建模和动力学仿真分析的可靠性.()各测点仿真分析与试验结果均低于 m/s,满足振动加速度指标要求,说明方案设计的可行性,能够为风电齿轮箱的设计提供理论参考.参考文献:邵忍平,沈允文,孙进才齿轮减速器系统可变固有特性动力学研究航空学报,():杨战斌 兆瓦风电齿轮箱动力学特性分析D重庆大学,T C L i ma n dR S i n g h V i b r a t i o n t r a n s m i s s i o n t h r o u g hr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g s,p a r t:g e a r e dr o t o r s y s t e ms t u d i e sJ J o u r n a lo fS o u n da n dV i b r a t i o n,():刘随贤风力发电机多级行星齿轮系统非线性动力学研究D华北电力大学,李润方,林腾蛟,陶泽光齿轮系统耦合振动响应的预估J机械设计与研究,马晓光,于天龙,鲍艳秋,李诤基于整机传动链的风电齿轮箱 动 力 学 分 析 J机 械 传 动,():穆塔里夫阿赫迈德,张兆新,郜凯强,孙光耀,耿军MW风电增速齿轮箱的设计与动力学分析J机床与液压,():张锁怀用谐波平衡法分析齿轮啮合的转子轴承系统的动力特性J机械工程学报,():朱才朝,黄泽好,唐倩,谭勇虎风力发电齿轮箱系统耦合非线性动态特性的研 究J机 械 工 程 学 报,():魏静,孙清超,孙伟,赵飞,李永红,郭爱贵大型风电齿轮 箱 系 统 耦 合 动 态 特 性 研 究 J振 动 与 冲 击,():朱才朝,陈爽,马飞,徐向阳,胥良,张鑫轮齿修形对兆瓦级风电齿轮箱动态特性影响J振动与冲击,():