多工况下兆瓦级海上风电齿轮箱均载性能优化设计

针对兆瓦级海上风电齿轮箱行星级均载性能易受到时变非扭载荷影响的问题，该文提出了多风速工况下风电齿轮箱行星级均载性能优化方法。通过建立某型5 MW海上风电齿轮箱系统动力学模型，分析不同风速工况对其行星级内部激励和均载特性的影响规律，进而采用支持向量回归方法，重构风速工况齿轮修形参数均载系数之间的映射关系，建立考虑不同风速工况影响的齿轮箱行星级均载系数优化模型，实现多风速工况下行星级齿轮修形参数优化设计。研究结果表明：由风速工况变化造成的时变非扭载荷会使行星级的齿面和轴承出现偏载现象，并且在低风速工况时非扭载荷会显著降低行星级均载性能；优化后的风电齿轮箱在不同风速工况下其行星级内部激励均明显降低，齿面和轴承载荷分布更加均匀，均载性能得到明显提升。     

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.     

环境参数对风电齿轮箱传动系统疲劳损伤的影响

在风电机组全寿命周期内,长期风速概率分布会使风电齿轮箱传动系统动载荷出现随机特性,影响其疲劳损伤预估精度。笔者提出了一种考虑长期风速概率分布特征的风电齿轮箱传动系统疲劳损伤预估方法,通过建立大功率海上风电机组OpenFAST-SIMPACK联合仿真模型,计算不同平均风速与湍流强度组合工况下的风电齿轮箱传动系统齿轮短期疲劳损伤,进而采用代理模型技术重构“平均风速、湍流强度-短期疲劳损伤”映射关系,预测齿轮长期疲劳损伤。研究结果表明：风电齿轮箱传动系统低速级太阳轮容易发生接触疲劳失效;在额定风速以下,低速级太阳轮短期疲劳损伤与平均风速呈正相关,在额定风速附近,平均风速与湍流强度的随机特性均会增大其长期疲劳损伤不确定性,增大其疲劳失效风险。     

随机载荷下风电齿轮箱太阳轮疲劳寿命预测

以2 MW水平轴变速风力发电机齿轮箱中的太阳轮为研究对象,选用双参数Weibull分布描述风场风速的统计规律,以此作为齿轮箱的外部载荷激励,并通过Monte Carlo方法进行仿真模拟得到太阳轮的应力分布.基于随机载荷作用下零件疲劳寿命的预测模型对风电齿轮箱中太阳轮的疲劳寿命进行预测,结果表明:该方法能够有效预测随机载荷作用下太阳轮的疲劳寿命,对风电齿轮箱零件的疲劳寿命预测与评估具有一定的指导意义.     

修枝机齿轮箱振动特性仿真分析

针对修枝机齿轮箱在运行过程中出现的振动和异响问题,基于多体动力学理论,利用动力学 Adams软件建立齿轮箱动力学模型,结合傅里叶变换理论计算齿轮箱齿轮啮合动态力。建立齿轮箱有限元模型,完成齿轮箱约束模态分析。根据数据处理后的轴承处频域激励载荷,利用有限元软件Ansys Workbench计算齿轮箱体表面振动的动态响应。仿真结果和试验结果表明,齿轮箱的振动噪声在齿轮箱固有频率与齿轮啮合激励频率接近时达到最大值,为今后齿轮箱体辐射噪声分析以及结构优化设计提供了依据。     

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。     

风力发电机齿轮箱加速疲劳试验技术分析

针对风力发电机齿轮箱的高可靠性要求,提出了一种加速疲劳试验技术方法来验证齿轮箱的疲劳可靠性.根据齿轮箱的设计载荷谱,推导了其主要零件在寿命周期内的等效栽荷和应力循环次数;应用Miner线性累积疲劳损伤理论,计算了齿轮和轴承在设计寿命周期内的疲劳损伤度;采用线性强化载荷谱的方法建立了风电齿轮箱加速疲劳试验载荷谱,结果在大约800 h左右就验证了齿轮箱的疲劳可靠性.     

矿井综采工作面风速对喷雾粒径影响规律试验

为研究矿井综采工作面喷雾除尘时,矿井风速对喷雾粒径的影响规律,利用模拟巷道喷雾降尘实验系统,在5个不同矿井风速影响下对4个喷雾压力、4个不同孔径喷嘴、5个不同轴线距离的喷雾粒径进行试验研究.利用Origin对试验数据进行曲线绘制,并将曲线进行了趋势分析与原因分析.结果表明:测点位置为0.68 m时,随矿井风速的增大,喷雾粒径呈增大趋势,并得出最小粒径99.25μm与最大粒径214.7μm的试验条件;不同喷雾压力和喷嘴孔径在矿井风速影响下程度不同,并将影响曲线进行对比和排序;测点轴线距离越远,喷雾粒径越小,即D_aD_bD_c D_d D_e;测点位置为0.38,0.68,0.95 m处的喷雾粒径随矿井风速的增大而增加,测点位置为1.28,1.58 m时,喷雾粒径在矿井风速0.25～0.65 m/s呈增大趋势,在0.65～1.05 m/s时呈减小趋势.试验研究结果为矿井喷雾除尘时,对于喷雾压力、喷嘴孔径、矿井通风风速的大小选择以及喷嘴布置的合理性提供参考.     

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。     

变风速下风力机叶片载荷特性研究

根据风力机的气动理论,并考虑风切变和风力机结构、几何参数的影响,建立了风力机叶片的气动载荷计算模型。以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速4种风速类型建立了变风速模型,并应用于叶片载荷计算模型,实现变风速下的叶片气动载荷的计算。以某MW级风力机为对象,给出了数值计算流程并进行了实例计算,结果显示:风力机叶片的气动载荷主要分布在叶片的中段和叶尖,且载荷大小随风速起伏变化,叶根的气动载荷随风速变化的趋势不明显,风速较大时,叶片上的载荷波动较为显著。结果可为叶片的结构设计和动力学分析提供参考。     

扫路车风机选择与风道设计的研究

针对3 t扫路车的风机选型和风道设计问题,基于NX NASTRAN的流体分析平台,结合风机风压、风量的理论计算与相关的试验数据,建立了风机的气体模型。通过流体仿真,明确了风道流速的分布情况,并对风机与风道的噪声进行了初步分析。结果表明,通过风机选型与风道设计,吸筒中的风速超过50.8 m/s,满足了吸筒中垂直向上的运输要求。     

Numerical investigation on the cluster effect of an array of axial flow fans for air-cooled condensers in a power plant

The aerodynamic behavior of tens of axial flow fans incorporated with air-cooled condensers in a power plant is different from that of an individual fan.Investigation of the aerodynamic characteristics of axial flow fan array benefits its design optimization and running regulation.Based on a representative 2600 MW direct-dry cooling power plant,the flow rate of each fan and the overall flow rate of the fan array are obtained in the absence of ambient wind and at various wind speeds and directions,using CFD simulation.The cluster factor of each fan and the average cluster factor of the fan array are calculated and analyzed.Results show that the cluster factors are different from each other and that the cluster effect with ambient wind is significantly different from the cluster effect with no wind.The fan at the periphery of the array or upwind of the ambient wind generally has a small cluster factor.The average cluster factor of the array decreases with the increasing wind speeds and also varies widely with wind direction.The cluster effect of the axial flow fan array can be applied to optimize the design and operation of air-cooled condensers in a power plant.     

风力机错列布置尾流效应

为在有限土地资源内提高风电场发电效率,减少上风机对下风机尾流效应影响,通过利用Windcube V2多普勒测风仪方法研究了两台风机错列布置状态下风机尾流场变化,比较无尾流状态和有尾流状态下风机的速度场和分析风机之间的尾流影响。结果表明：上风机尾流效应对下风机第二象限区影响最大,轴向速度出现先减小后增加在减小在增加过程;第一象限区出现先减小后增加过程。径向和切向速度幅值和频率出现先增加后减小,径向速度幅值和频率5D截面处最大,3D最小,切向速度幅值和频率5D截面处最大,8D最小。可见上风机对下风机尾流叠加形成复杂的湍流现象,湍流强度促使尾流内外流场融合,从而造成不同速度值的之间的差异。     

单多普勒雷达风场反演方法敏感性试验

为了比较3种单多普勒天气雷达风场反演方法(即VAP方法、UW方法、涡度-散度法)的反演效果和适用性,用这3种方法对几种典型的理想风场进行反演和敏感性对比试验,并对造成反演效果差异的原因进行了细致的分析.试验结果表明,这3种方法对均匀风场的反演效果都很好,UW方法的误差最小且计算量较小;3种方法对切变场的反演效果类似,径向速度差值较大的UW方法相似系数却稍大,切变越大时反演误差越大;对于涡旋场3种方法反演效果都不理想,若为径向气流显著而切向气流不显著的涡旋场可以用UW方法来反演.因此,相对而言,可以选用计算量小且相似系数较高的UW方法来反演二维简单风场.而在研究和实际应用中,应该进一步探讨用假设条件更接近实际情况的反演方法来更准确地反演风场.     

分级加荷时饱和土地基的固结分析

论述了外荷载分级施加时，饱和土地基一维固结的微分方程及其在给定的边界条件和初始条件下的解析解，分析了土中一点的孔隙水压力的变化规律，提出了分级加荷时地基中一点的固结度的定义方法，并对工程中常用的方法作了分析和评价     

基于剪切层扇形分层模型的射流声传播分析

通过计算流体力学建立一种扇形分层剪切层速度模型,并以此为基础用几何声学方法推导整个射流结构的声传播模型.以实际开口式风洞为研究对象,用数值仿真给出射流结构速度分布.建立速度随角度均匀变化的扇形分层剪切层速度模型.用声折射理论推导不同速度层之间的声传播.以声漂移量为指标对射流声传播模型进行声学风洞试验验证,证明本模型对声漂移量的预测精度更高,在高风速、剪切层较厚的情况下,优势尤为明显.     

双模数大排量齿轮泵动态特性仿真研究

设计双模数啮合齿轮泵,对主、从动齿轮啮合过程及接触强度进行了仿真研究.将两种不同模数的齿轮进行匹配,设计双模数主、从动齿轮,提高齿轮的排量;以刚度、阻尼、摩擦系数模拟齿轮之间的油膜间隙,对主、从动齿轮的工作过程进行仿真研究,再利用Workbench对主、从动齿轮进行接触有限元分析.计算分析结果表明:双模齿轮泵排量是同体积齿轮泵的2～6倍,齿轮泵工作时,第一对小齿啮合时接触应力最大,从动齿轮工作过程中的变形量大于主动齿轮,两齿轮的安全系数较大,强度能够满足使用要求.     

基于随动加载的起落架载荷误差评估与修正

全尺寸飞机柔性起落架静力试验中,起落架受载变形引起加载力线改变,从而带来加载误差。为提高加载准确度,起落架随动加载技术被广泛使用。本文通过对随动加载模型的分析,得出该加载技术试验过程中理论上依然存在加载误差。采用向量、矩阵运算结合力学平衡方程推导得到随动加载技术误差计算公式和载荷修正公式。选取某型飞机起落架静力试验典型工况（两点滑行刹车）进行载荷误差评估、修正与验证。结果表明：随动加载技术试验过程中航向和垂向最大加载误差小于工程允许的1%误差,侧向加载误差引起的最大约束反力误差小于工程允许的5kN;载荷修正后,最大约束反力误差小于2kN,加载准确度得到了进一步提升。本文从理论上分析了柔性起落架发生变形后载荷误差并进行修正,为起落架静强度试验过程中主动载荷和约束点载荷误差分析提供了理论依据。     

国内外风荷载规范的评估和展望

以随机振动理论为基础，对结构顺风向风振，推导了准确合理的公式，在此基础上对我国最新的风荷载规范（GB50009－2001）及世界各国主要的风荷载规范（包括标准）进行分析和评估，研究认为采用沿结构高度不变的风振系数是不合理的，这种 方法意味着由脉动风引起沿高度变化的振型惯性力的规律与平均风引起沿高度变化的静力规律相同。算例显示了这种方法的误差。在讨论的基础上，对21世纪风荷载规范作出展望。     

砂岩弹性参数与波速关系的实验研究

为进一步了解岩石弹性参数(如杨氏模量、泊松比)与超声波波速的关系,将岩石加卸载循环实验和超声波测量实验同时进行,得到同一组样品的测量数据并作对比分析。实验结果表明,应力的变化会导致岩石样品的孔隙度、裂隙、岩石结构和构造的改变。受这些因素的影响砂岩的杨氏模量、泊松比、波速,也都会有规律地变化。较低应力水平时用小循环加卸载测得的动态弹性模量是不准确的,计算的波速也不准确,只有通过波速实验才能准确测出;饱水情况的加卸载纵波波速之差比干燥情况小,饱水波速大于干燥波速;动态泊松比比较稳定,但静态泊松比随着应力的增加而增加,从0.07增加到0.12,有趋近于动态泊松比的趋势;用P-M模型从微观概率分布入手,能够很好地解释静态和动态弹性参数的差别。通过本实验,采用回归分析的方法,成功建立起了岩石介质中弹性参数与波速的关系,为类似实验提供参考依据。