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750KW风力发电机组传动系统动力学仿真分析2

随着人类对于能源的需求越来越*，经过几十年的的发展 风力发电机的单机容量越来越*制造成本也越来越低商业化 机组运行良好并且已经在世界范围内*范围的应用。 中国风能资源丰富现估计实际可开发量2.53亿KW为风 力发电提供了可靠的资源保证。但作为世界上的风能*国由于 起步晚我国尚不具备独立开发风机尤其是*型风机的成熟的核 心技术目前国内己投入运行的风力发电机组绝*部分是进口和 仿制的风电行业的发展还有很多阻碍因素根据我国风电厂实际 统计数据表明风力发电机的传动系统故障是风机运行过程中的 常见故障其中行星轮式增速齿轮箱是风力发电机的重要组成部 分是风力发电机传动系统的核心部件在整个传动系统中故障 率**其中齿轮部分失效的故障率**。因此对齿轮箱系统则 国

2风力发电机组传动系统组成及原理

风力发电机传动系统如图1所示。从图1传动系统简图可以 看出风力发电机传动系统主要有叶片、轮毂、主轴、行星齿轮增速 机构发电机等几部分组成。其传动原理为作用到转子机构的风机 叶片上的风能经调速机构后输出较稳定的转速到与轮毂相连的 主轴上通过主轴传递到行星式齿轮箱的行星架上经齿轮箱的增

湖南湘南某工厂厂房施工组织设计速作用把转速输出到发电机上从而完成了风能到电能的转

3传动系统数字化样机三维模型的建

我国自前虽然已经能够做到750KW以下机组的自主批量 生产但是国产齿轮箱在实际的运行过程中其故障率与国外机型 相比偏*通过对国内齿轮箱故障率统计分析得到发生故障的主 要原因是齿轮的疲劳断裂失效影响疲劳寿命的因素很多，包括 材料本身的性能、工件本身的结构、载荷特征等。主要针对齿轮的 这种失效情况提出了750KW风力发电机增速齿轮箱轮系新的 配置方案并按该方案建立了传动系统数字化样机 3.1行星轮系增速箱各齿轮的参数设计 在风力发电机的传动系统中齿轮箱为其核心部件。目前*

功率风力发电机增速箱结构配置形式主要有两种分别为两级行 星增速结构及一级行星和两级平行轴增速结构。设计综合考虑二 者的优缺点选择一级行星和两级平行轴增速结构，齿轮箱各结构 配置形式如图2所示。

图2增速齿轮箱轮系简图

采用此种结构增速齿轮箱的风力发电机传动路线是叶轮 传动轴一收缩套一行星架一太阳轮一二号斜齿轮一三号斜齿 轮一四号斜齿轮一五号斜齿轮一发电机。

根据750KW风力发电机齿轮箱的参数要求，经过设计计算 得到风力发电机增速齿轮箱的斜齿轮部分的参数如表1所示

表1轮系齿轮设计参数

该齿轮设计中所有压力角均取20作环境较为恶劣而且要 求正常工作的时间为20年，所以它的齿轮材料的选择则显的尤 为重要，这里对于斜齿轮5及斜齿轮3我们选择or都比较* 的材料17CrNiMo6其他齿轮则选择20CrMnMo都需经过渗碳 处理，齿轮经渗碳淬火，表面硬度HRC60±2，心部硬度*于 HRC30

3.2传动系统三维模型的建立

风力发电机组传动系统组件众多除上述重新设计配置的增 速箱轮系结构叶片是用逆向重构完成其他零部件参考原始样 机模型设计参数。整机数字化样机是在*型三维设计软件UG NX4.0中完成的。建立完毕风力发电机组传动系统整机模型如 图3所示。机舱内部主要部件图如图4所示

丁习坤等：750KW风力发电机组传动系统动力学

风力发电机传动系统动力学分析 对该风机传动系统的动力学分析主要借助于*型动力学 件ADAMS2005软件完成

4风力发电机传动系统动力学

对该风机传动系统的动力学分析主要借助于*型动力学分 析软件ADAMS2005软件完成。

4.1传动系统动力学仿真模型的建立

4.1.1传动系统模型简化

对于风力发电机机组来说主要传动路线即为叶轮通过主轴 将动力传给增速齿轮箱然后传给发电机。由于叶轮部分和主轴 部分通过轮毂固定连接，且由于变速机构的存在主轴转速基本 保持稳定且载荷在二者之间的传递也不存在失真的问题故对机 组传动系统动力学分析中剔除了虚拟样机中的叶轮部分只保留 了主轴与增速齿轮箱部分。考虑到主轴与行星架在正常运行时是 相对固定的故将主轴与行星架直接连接。简化模型导入ADAMS 后风力发电机主要传动系统的效果图如图5所示

图5主要传动部分简化模型图

4.1.2添加运动副和施加载荷

根据该行星齿轮增速箱的实际传动规律为该系统添加相应 的旋转副与齿轮副根据风机设计和运行要求给行星架施加30r min恒定转速添加完成动力学仿真模型的建立

4.2.1轮系各轴转速、传动比及模型验证

运动副定义完毕就可以进行仿真计算本仿真根据实际情 况将仿真时间定义为10s500步。仿真结束后在后处理界面在就 能得出各轴转速的*小。从后处理界面得出的实际仿真运行的各 轴转速及传动比与理论计算值得比较如表2所示

表2模型转速、传动比与理论计算值比较表

从表2可以看出在本轮系中仿真结果与理论计算相对误差 很小，各级齿轮转速实际仿真值和理论计算值几乎完全一致各

从表2可以看出在本轮系中仿真结果与理论计算相对误差 很小，各级齿轮转速实际仿真值和理论计算值几乎完全一致各

No.7 ul.2010

级传动比理论值也与实际仿真值基本相一致。由此说明该减速器 虚拟样机模型转速和传动与实际设计相一致，且满足应用要求 从而验证了虚拟样机模型的正确性

2齿轮各轴的转矩仿真分

在本仿真中基于虚拟样机模型在主轴施加恒定的转速30r min，在输出轴即斜齿轮5上施加恒定的负载转矩4976053N mm材料的弹性模量为2.0eMPa泊松比为0.3。在后处理界面中 得到各轴转矩时域图各轴转矩中**的即斜齿轮3轴上的转矩 时域图如图6所示

图6斜齿轮3轴上的转距时域图

从图6可以看出斜齿轮3轴上**转矩为 转矩*小成周期性波动如实的反应了齿轮的啮合状况

4.2.3啮合齿轮接触力的仿真分析

采用冲击函数法来计算接触力，用实体与实体的接触模式 接触系数K为1.4e6N/mm指数e为2.2阻尼为10N.s/mm** 击穿深度选0.1mm非线性指数取2.2，仿真设置为3秒500步 从各对啮合齿轮的接触力时域图可以得出2、3斜齿轮啮合对接 触力**如图7所示

图7斜齿轮2、3的接触力时域图

管道及设备保温技术交底从图7可以看到斜齿轮的啮合区域的啮合力呈现周期性每 个周期啮合区域的啮合力遵循从零逐渐增至**然后变小再增 *再变小再变*的规律进行这体现了斜齿轮参与啮合的多个 轮齿从将进入啮合到进入啮合然后到啮合区域中心再逐渐退 出啮合的运动过程中啮合区轮齿的受力情况由于2、3齿轮之间 的啮合力*2、3齿轮更易发生故障。在风力发电机的现实工作 中斜齿轮3正是比较容易发生故障的齿轮综合考虑风力发电机 传动系统组件的故障率可以知道三号齿轮为传动系统的薄弱环 节为关键齿轮。有必要对斜齿轮3进行更进一步的分析。

4.3关键齿轮的柔体动力学仿真

上文中对传动系统的虚拟样机进行了刚体动力学分析刚体 构件在受到力的作用的情况下不会产生变形。工程运用中把样机 作为刚体系统来处理在*多数情况下可以满足要求。但在刚体 分析的环境下无法考察系统的变形、应力等无法产生分析构件 的应力云图。所以欲研究关键部件的应力情况须在柔性体分析的

情况下完成。进行柔性动力学分析的一般步骤为：1.分析欲研究 模型的运动关系定义运动副2.利用有限元程序建立柔性体模 型3.在adams软件中进行刚柔替换并进行仿真分析。 选择二号三号啮合齿轮对，定义运动关系，在有限元程序 ansys中建立二者的中性体文件，在adams中通过刚柔替换进行 柔体动力学仿真建立柔体模型如图8所示。仿真时按照实际工 况对二号斜齿轮添加转速155r/min，三号斜齿轮添加负载转矩 13736659N.mm进行仿真对手三号斜齿轮可以得到应力云图 如图9所示

图8齿轮啮合柔体模型

从应力云图上可以看出**应力为650Mpa，比理论计算值 996Mpa小，这是由于理论计算中Hertz方法将轮齿视为接触的 圆柱型刚体，按照线接触进行计算，实际上却是局部区域接触 Hertz方法求出的值一般偏*。按照经验对17CrNiMo6这种材料 来说650Mpa的应力是合理的

通过对某风力发电厂750KW风力发电机传动系统中目前 存在的齿轮局部断齿失效问题的分析提出了新的传动系统轮系 配置方案并按该方案在UG软件中建立了数字化样机模型并 运用ADAMS软件对传动系统的关键部分进行了动力学分析并 按设计要求进行了增速齿轮箱各轴转速、转矩及齿轮的啮合力仿 真分析并通过仿真结果得到整个传动系统中的薄弱环节。并对 其对进行了柔性体动力学分析得到了易损齿轮在啮合过程中受 力状况图及动态应力变化云图为以后进行关键齿轮的疲劳寿命 及有限元分析提供了数据基础

建筑装饰材料与施工工艺资料.ppt1中华人民共和国国家发展计划委员会基础产业发展司.中国新能源与可再 生能源1999年白皮[M]北京中国计划出版社20002~15 2尹炼刘文洲.风力发电[M]北京中国电力出版社2002(5)8~10 3李晋山.提*渐开线齿轮轮齿齿根弯曲强度的措施[J]机床与液压2004 (4) 4陈立平张云清.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M]北京清 华*学出版社200530~75