随机载荷下风电齿轮箱轮齿接触疲劳寿命的仿真分析

发布时间：2017-04-03 13:10

  本文关键词：随机载荷下风电齿轮箱轮齿接触疲劳寿命的仿真分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在过去十年中，由于化石燃料成本的提高和国际上对气候变化的关注，促使许多国家的政府通过政策和加强监管力度，积极设法增加可再生能源在总电力供应的百分比份额。在风能产业快速的增长的同时，作为风力发电机组最昂贵部件之一的变速箱一直困扰着风电产业，表现出比预期高的故障率。在风电齿轮箱的常见故障中，轮齿损伤的故障率排在第一位，在轮齿损伤中，疲劳断齿占了最大的比例，表面接触疲劳仅次之，进行风电增速箱齿轮副接触疲劳寿命的研究，有利于提高风电增速箱齿轮的可靠性，降低产品设计阶段所需要的费用。 本课题得到国家科技支撑项目“7MW风电齿轮箱及主轴轴承产业化关键技术研发”和重庆市教委科学技术研究项目“随机载荷下齿轮接触疲劳寿命研究”的支持，采用解析方法和有限元方法分别对风电增速箱齿轮轮齿随机载荷下的接触疲劳寿命进行仿真分析，具体的研究工作如下： (1)对风电机组5种典型工况的主轴扭矩的时间历程进行仿真分析，并对随机载荷历程进行统计计数。 (2)根据一级行星齿轮系统的动力学模型，综合考虑齿轮时变啮合刚度，综合误差，轴承的时变刚度，对齿轮副动态啮合力进行仿真分析，研究了转速、加速度、和随机误差对动态啮合力的影响，并对裂纹萌生寿命和扩展寿命进行了预测，研究了随机误差、残余应力和摩擦系数对萌生寿命和扩展寿命的影响。 (3)采用解析方法，对含初始裂纹的直齿轮模型裂纹扩展路径进行了仿真，计算裂纹前缘的等效应力强度因子，，研究了载荷对等效应力强度因子的影响。 (4)在UG中建立风电增速箱一级行星齿轮系统的整体三维实体模型，在Abaqus中对一级行星齿轮系统的整体进行接触分析，Fe-safe中对各个齿轮副进行接触疲劳寿命分析，并研究随机载荷分布参数对接触疲劳寿命的影响规律。
【关键词】：接触疲劳 裂纹萌生寿命 裂纹扩展寿命 随机载荷
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH132.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题背景及其研究意义9-10
• 1.2 风力发电概述10-12
• 1.3 齿轮接触疲劳寿命分析12-13
• 1.4 本文研究的主要内容13-15
• 2 疲劳分析理论和风电机组主轴扭矩仿真15-25
• 2.1 疲劳分析理论15-18
• 2.1.1 计数法15-16
• 2.1.2 疲劳损伤模型16-17
• 2.1.3 线性累积损伤理论17-18
• 2.2 风电机组主轴扭矩的仿真18-23
• 2.2.1 随机风模拟19-21
• 2.2.2 主轴扭矩各工况的仿真21-23
• 2.3 本章小结23-25
• 3 耦合动力学模型建立和内部激励分析25-41
• 3.1 一级行星齿轮系统物理学模型25-27
• 3.2 一级行星齿轮系统坐标系的建立27-28
• 3.3 运动微分方程28-33
• 3.4 齿轮时变啮合刚度33-36
• 3.5 齿轮的综合啮合误差36-38
• 3.6 传动轴的扭转刚度38
• 3.7 轴承支承刚度38-39
• 3.8 本章小结39-41
• 4 风力发电机增速箱轮齿接触疲劳寿命解析分析41-67
• 4.1 齿轮副动态啮合力仿真41-47
• 4.1.1 随机误差对动态啮合力的影响45-47
• 4.1.2 行星架转速和加速度对动态啮合力的影响47
• 4.2 齿轮齿面以下任意一点循环应力47-51
• 4.2.1 分布法向力和切向力48-49
• 4.2.2 两圆柱接触49-50
• 4.2.3 偏应力不变量50-51
• 4.3 裂纹萌生寿命分析51-57
• 4.3.1 萌生寿命公式推导51-52
• 4.3.2 疲劳载荷谱52-53
• 4.3.3 残余应力和载荷强度对最大剪应力的影响53-56
• 4.3.4 残余应力对裂纹萌生寿命的影响56-57
• 4.3.5 摩擦系数对裂纹萌生寿命的影响57
• 4.3.6 随机误差对裂纹萌生寿命的影响57
• 4.4 裂纹扩展寿命分析57-64
• 4.4.1 裂纹类型57-58
• 4.4.2 裂纹尖端的应力强度因子58-59
• 4.4.3 裂纹扩展速率59-60
• 4.4.4 裂纹扩展角及裂纹长度增量60-61
• 4.4.5 裂纹萌生位置的确定61-62
• 4.4.6 裂纹扩展寿命计算62-64
• 4.5 本章小结64-67
• 5 风力发电机增速箱轮齿接触疲劳寿命有限元分析67-79
• 5.1 引言67
• 5.2 一级行星齿轮系统接触有限元分析67-69
• 5.2.1 接触类型及属性67
• 5.2.2 三维模型建立和有限元网格划分67-68
• 5.2.3 动态接触应力计算68-69
• 5.3 齿轮副接触疲劳寿命分析69-73
• 5.3.1 材料 P S N 曲线69-71
• 5.3.2 Fe—safe 软件介绍71
• 5.3.3 疲劳准则的选取71
• 5.3.4 载荷谱编制71-72
• 5.3.5 随机载荷对接触疲劳寿命的影响72-73
• 5.4 分布参数对萌生寿命的影响73-77
• 5.5 本章小结77-79
• 6 结论与展望79-81
• 6.1 结论79-80
• 6.2 展望80-81
• 致谢81-83
• 参考文献83-87
• 个人简历、在学期间发表学术论文及取得的研究成果87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：284366