风力发电机齿轮传动系统的动态优化设计

同时考虑时变啮合刚度、啮合误差以及风速变化引起的外载荷波动,建立了1.5MW风力发电机齿轮传动系统的集中参数模型,并利用谐波平衡法,得到时变振动微分方程的解析解。在此基础上,建立了以各构件的振动加速度和系统体积/质量为目标函数的多目标动态优化模型,利用混合离散变量组合型法对其进行求解。计算结果表明,提出的系统建模和优化设计方法,可有效降低风电齿轮箱的振动水平和质量,为低噪声、低成本的风电齿轮箱的设计提供参考。     

风电齿轮箱传动系统的动力学建模

由于风速的随机性特点,使得风电齿轮箱长期处于较为复杂的变载荷作用下而产生振动,这些振动将会引起齿轮箱内部结构的损坏.为了更好地对齿轮箱进行动力学分析,将风电齿轮箱传动系统分解为三级齿轮传动,采用集中质量法,在直齿轮、斜齿轮和行星齿轮动力学模型的基础上,建立了整个齿轮箱传动系统的动力学模型;并在考虑齿轮啮合刚度、啮合阻尼、啮合误差、偏心量、弯扭耦合、自身重力以及支撑轴承等因素的共同作用下,利用拉格朗日方程推导了整个传动系统的动力学方程.为今后分析兆瓦级风电齿轮箱传动系统的固有特性、动态响应等动力学特性奠定了一定的基础.     

风电齿轮箱传动误差分析及振动噪声预估

针对一级行星两级平行轴风电齿轮传动系统,综合考虑齿轮时变啮合刚度、啮合阻尼、传递误差等因素,建立31个自由度的弯扭轴耦合集中参数动力学模型,采用变步长Runge-Kutta法对系统动力学微分方程进行求解,得出齿轮传动系统各级传动误差;借助软件建立风电齿轮箱刚柔耦合动力学模型,并导入传动误差,采用模态叠加法求得齿轮箱轴承支反力,并将其作为声振耦合模型的边界条件,采用声学有限元法对风电齿轮箱进行振动噪声预估,并与试验结果对比分析,两者吻合良好。     

变转速风电行星齿轮传动系统动力学特性

针对风力发电机变转速工况,采用集中质量参数法建立了变速风电行星齿轮传动系统的动力学模型,通过傅里叶级数将时变啮合刚度转化为啮合频率的函数形式,根据仿真的线性升速曲线,分析了变转速对齿轮副时变啮合刚度的影响,并利用龙格库塔法求得了传动系统中各齿轮的动态响应.在此基础上,对风电齿轮箱试验台升速过程测试信号进行分析,验证了所建变转速风电行星齿轮传动系统动力学模型的有效性.     

设计参数对行星齿轮传动系统模态能量灵敏度的影响

基于矩阵摄动方法研究了设计参数对行星齿轮传动系统模态能量的灵敏度.此处所计及的设计参数包括太阳轮与行星轮、内齿圈与行星轮的啮合刚度、行星轮的支承刚度以及各构件的转动惯量.系统模态能量与系统的振动强度密切相关,高的模态能量预示着当系统受到来自齿轮啮合动载荷激励时将发生较大的振动.采用集中参数法建立了行星齿轮传动系统的动力学模型,并采用矩阵摄动方法对模态能量特征灵敏度问题进行了推导和求解.结合具体实例,分析了各设计参数对系统模态能量的灵敏度,并通过实验验证了一些设计参数选择对系统振动强度的影响.实验结论与理论分析相吻合,在一定程度上验证了设计过程中采用模态能量灵敏度分析法预估参数选择对系统振动强度的影响是可行了.     

风电主齿轮箱动态响应分析

以某3 MW风电齿轮箱为研究对象,通过导入壳体、齿圈、转架有限元凝聚刚度矩阵,建立基于MASTA的多柔体动力学模型,分析发现箱体在三级齿轮啮合频率附近有最高的动能分布,齿轮箱在高速级齿轮第一阶啮合频率激励下有最大的振动响应,且计算结果和试验测试结果基本符合。该结果可对风电齿轮箱设计阶段进行振动风险规避提供一定计算参考。     

船用齿轮箱多体动力学仿真及声振耦合分析

基于多体系统动力学理论,综合考虑齿轮副时变啮合刚度、齿侧间隙、轴承支撑刚度等内部激励以及螺旋桨外部激励,建立了含传动系统及结构系统的船用齿轮装置多刚体系统动力学模型,计算了齿轮副动态啮合力及轴承支反力;对齿轮箱及支座进行柔性化处理,形成多柔体系统动力学模型,采用模态叠加法计算了箱体表面的动态响应.而后以多体动力学分析所得的轴承支反力频域历程为边界条件,建立了箱体声振强耦合分析模型,预估了齿轮箱表面声压及外声场辐射噪声.结果表明,齿轮副动态啮合力、轴承支反力以及箱体动态响应频域曲线的峰值均出现在齿轮副的啮合频率及其倍频处;仿真所得的箱体振动加速度及外声场辐射噪声与齿轮箱振动噪声试验台架实测结果吻合良好.     

含齿根早期裂纹损伤的行星齿轮箱故障机理研究

行星齿轮箱中齿根早期裂纹损伤的故障特征微弱,导致其难以被识别.为揭示齿根早期裂纹的故障机理,采用集中参数法建立计入裂纹损伤效应的行星齿轮箱传动-结构耦合非线性动力学模型.首先,基于势能法建立含齿根裂纹损伤的齿轮副啮合刚度与传动误差计算模型,通过刚度激励函数与位移激励函数将裂纹损伤的效应纳入行星传动系统的非线性动力学模型,进而求解行星传动系统的振动响应,结果表明内、外传动支路之间的传动误差差异导致各支路载荷分配不均.其次,采用ANSYSWorkbench建立箱体结构的有限元模型.将行星传动系统中太阳轮、行星架以及内齿圈的支承反力施加于箱体结构的相应轴承座处,并通过窗函数计入行星架旋转对信号的调制效应以获取行星齿轮箱的振动信号;通过对箱体振动信号的频谱分析,提取了行星齿轮箱齿根早期裂纹损伤的故障特征.最后,搭建动力传动故障模拟实验台,对存在齿根早期裂纹损伤的行星齿轮箱进行了振动测试.仿真信号与实测信号基本一致,表明所建行星齿轮箱传动-结构耦合动力学模型能准确揭示行星齿轮箱齿根早期裂纹损伤的故障机理.行星齿轮箱中齿根早期裂纹损伤的故障特征表现为以啮合频率为中心、故障特征频率的分数倍频及行星架转频为间隔的调制边带.     

齿轮箱振动预测分析及试验验证研究①

本文以某齿轮箱为研究对象,应用MASTA软件根据动力学理论完成对齿轮传动系统的建模,得到轴承处动态力并以此作为之后箱体的输入载荷,综合运用Pro/E、Hypermesh与Ansys软件建立齿轮箱箱体有限元模型,计算齿轮箱模态并调入Virtual Lab软件中基于模态叠加法最终得到固定转速下齿轮箱各点振动响应,经验证,与振动试验测量值相吻合。本文通过多软件联合计算仿真成功求解齿轮箱箱体振动响应,有助于预测整体系统振动噪声,为齿轮箱振动控制提供了理论依据。     

考虑轴柔性的二级齿轮减速器振动噪声研究

针对齿轮箱在实际运行过程中存在的轴系变形问题,提出了一种二级齿轮减速器在多源时变激励作用下振动噪声的计算方法。综合考虑齿轮、轴承时变刚度以及误差激励的影响,并引入二级齿轮相位关系,采用有限元法建立了计入轴柔性的二级直齿轮-轴-轴承系统耦合动力学模型。通过Newmark时域积分法求解系统动力学方程,得到各轴承动载荷,并分析了传动系统的固有特性及轴的静变形特征。采用有限元法对齿轮箱进行模态分析,提取箱体各阶固有频率与振型。以轴承频域动载荷为齿轮箱激励,利用模态叠加法计算得到齿轮箱的振动响应,并采用声学边界元法对齿轮箱的辐射噪声进行了计算。分析了轴柔性和转速对轴承动载荷与箱体辐射噪声的影响。仿真结果表明:计入轴柔性后,轴承动载荷波动幅值降低,激励频率成分也随之减少;在低频段200～900Hz与高频段1 800Hz附近,箱体的主要共振模式发生改变,顶部场点噪声有所降低;随着转速的升高,激起了传动系统轴系弯曲振动模式,并引起传动系统振动幅值增大,且齿轮箱顶部场点噪声明显大于两侧场点噪声。研究结果可为减速器的减振降噪设计提供理论参考。     

兆瓦级风力机齿轮传动系统动力学分析与优化

对1.5 MW风力发电机齿轮箱传动系统进行耦合振动分析,建立了风力机增速箱齿轮传动系统的扭转振动模型.利用4阶Runge-Kutta法计算了系统在风载、轮齿时变啮合刚度和系统阻尼共同作用下的动态响应,并利用谐波平衡法求出了系统的解析解,从而得到了优化设计目标函数的解析表达式.在此基础上,建立了以行星轮扭转振动加速度幅值最小和传动系统总质量最轻为目标的优化设计数学模型,利用MATLAB优化工具箱进行优化求解.实例计算表明,优化设计后传动系统的低阶固有频率明显提高,动态性能明显改善,重量减轻.     

大型船用齿轮箱传动系统的动态耦合特性

考虑输入和输出端横向振动与系统扭转振动的耦合作用,建立大型船用齿轮箱三级齿轮传动系统横扭耦合动力学分析模型,利用基于能量的Lagrance法建立传动系统耦合动力学方程。采用Matlab软件计算了在时变啮合刚度和误差激励下的某大型船用齿轮传动系统固有特性和动态响应分析,得出系统动态良好,不存在共振现象,在工作负载下系统处于概周期振动的结论。     

非扭矩载荷下风电齿轮传动 系统动力学响应特性分析

风电机组叶轮承受风载产生的推力和弯矩等非扭矩载荷传递到齿轮箱内部,会引起关键部件振动加剧、动载增大,将加速齿轮、轴承等部件的过早失效.本文针对某5 MW风电齿轮传动系统,考虑行星架和太阳轮轴的柔性,计算了各对齿轮间的啮合刚度和阻尼以及轴承的支承刚度,采用ADAMS软件建立其刚柔耦合动力学模型,分析了非扭转载荷对关键部件振动和动载荷特性的影响,结合理论分析与对比验证,掌握了非扭矩载荷引起低、中和高速级齿轮振动位移和动态啮合力以及轴承动载增大的变化规律,将为齿轮传动系统动态性能评估及其可靠性优化设计提供重要的理论依据.     

风力发电机行星传动增速系统动态均载研究

针对某型号风电增速箱行星传动系统建立了行星传动系统的扭转动力学模型,运用拉格朗日函数和当量误差的原理推导了系统的动力学方程并对非线性方程组进行了求解,得到了系统各基本构件在给定激励下的响应;计算了太阳轮的浮动量和各基本构件之间的动态均载系数,绘制了均载系数的变化曲线.计算结果对增速箱行星轮系的动态均载性能给出定量的分析,也可以为行星轮系的优化设计提供参考.     

基于分流均衡要求的行星传动基本构件浮动量分析

根据从动力学角度建立的行星传动系统计算模型,考虑系统的误差、工况条件、构件的支承刚度对基本构件浮动量的影响,推导行星传动的动力学方程;计算在载荷分流均衡要求下基本构件的浮动量;分析系统主要设计参数对浮动量的影响,为行星齿轮传动系统的均载结构设计提供依据.研究结果表明系统的浮动量随着对载荷均衡要求、转速、系统行星轮个数、基本构件支承刚度和系统构件误差的增加而增大,各构件的误差对系统浮动量的影响有累加作用;系统的误差、工况条件、构件的尺寸参数和支承刚度等因素均影响系统的浮动量,在实际分析中要予以考虑.     

起升动载激励下岸桥起升传动系统动态特性

为研究岸桥起升传动系统在起升复杂工况下的动态特性,建立了起升机构的动力学模型,模拟了传动系统所受的起升动载.考虑传动系统中齿轮副的时变啮合刚度和支撑刚度,建立了起升传动系统平移-扭转耦合的动力学模型,得到了电机从启动到匀速最后减速到停止的起升过程中传动系统各构件的振动响应,并对不同阶段的啮合力进行了频域分析.研究表明,传动系统各构件的扭转振动与起升动载有相同的变化趋势,且由于起升速度的变化,加速和减速阶段的啮合力频谱出现了边频带现象.     

船用齿轮传动的动态优化设计

考虑齿轮副的时变啮合刚度、啮合阻尼及轮齿的综合误差,建立了船用齿轮传动系统的动力学模型;将齿轮副接触线长度变化代替齿轮瞬时啮合刚度的变化,啮合阻尼和齿面摩擦等效为粘性阻尼以提高求解效率.并以齿轮的振动加速度和质量为目标函数,对船用齿轮传动进行多目标动态优化,有效降低船用齿轮的振动水平和质量.     

6R喷涂机器人操作臂末端刚度的分析

针对一个6R喷涂机器人的传动系统,分析了系统中交流伺服电机、谐波减速器、同步带等零部件的刚度,并把传动链简化为由若干弹性元件串联组成的系统来计算各关节转轴的关节刚度,从而计算出手臂终端刚度矩阵,并分析各传动部件对末端刚度的影响,通过增加传动系统中关键零部件的刚度来提高手臂的刚度,从而提高机器人的整体刚度和手臂末端点的定...     

NGW型直齿行星传动自由振动分析

为揭示NGW型直齿行星传动的自由振动特性,在系杆随动参考坐标系下建立该型传动的平移-扭转耦合动力学模型.模型设定系统中每个构件均拥有3自由度,并计入各构件的支承刚度、轮齿时变啮合刚度及陀螺效应等影响因素.通过分析各构件间的相对位移关系,推导出系统的运动微分方程,进而求解其特征值问题,即可获知系统的固有频率和相应振型.依照传动系统的运动特征,可将NGW型直齿行星传动的自由振动分为3种典型振动模式,即扭转振动模式、平移振动模式和行星轮振动模式.比较本模型与前人模型的仿真结果发现,两种模型所得的系统各阶固有频率相同,但其中心构件平移振动模式所对应的系统振型向量存在较大差异.由于更正了前人模型中的推导错误,现有模型能更为准确地反映系统的自由振动特性.     

钻柱动态数学模型的建立及求解

钻井用钻柱在使用过程中受力比较复杂，钻柱不仅存在纵向振动、横向振动，还存在扭转振动，并且3个振动相互耦合，用一般受力分析方法很难确定，采用能量法求出单元的动能和势能，利用拉格朗日方程建立起钻柱系统动力学有限元模型，求出了系统质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵及系统载荷矩阵，利用微分方程的数值计算方法对钻柱过程进行计算机仿真。通过研究得出了一套研究钻柱系统动力学模型及求解方法，。对新形钻柱的设计和钻井力学的研究具有指导意义。