大型风电齿轮箱耦合固有特性仿真分析
2020-02-27
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!!!=:——竺丝兰兰塑垒些丝些坚——————兰型机械设计与制造第5期大型风电齿轮箱耦合固有特性仿真分析许洪斌1,吴灿元2,杨长辉1(1.重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054;2.重庆理工大学机械工程学院,重庆400054)摘要:风电齿轮箱是风电机组的重要组成部分,其振动特性会影响整个机组的运行,因此研究齿轮箱系统的固有特性具有重要意义。在大型风电齿轮箱三维实体模型的基础上,采用弹簧模拟轴承的方式把传动系统和箱体耦合起来,建立该齿轮箱齿轮一传动轴一轴承一箱体系统耦合非线性动力学有限元模型,运最Lanczos法对齿轮箱系统进行耦合模态分析得到系统固有频率和固有振型。通过计算齿轮啮合频率分析得出齿轮箱系统在高阶振型中产生共振现象,为大型风电齿轮箱的优化设计提供理论依据。关键词:风电齿轮箱;固有特性;啮合频率中图分类号:THl6;THl22;TM315文献标识码:A文章编号:1001—3997(2014)05-0192—03SimulationandAnalysisofCoupledNaturaICharacteristicofLargeWind-TurbineGearbO×XUHong-binl,WUCan—yuan2,YANGChang-huil(1.KeyLaboratoryofAutomobilePartManufacturing,CheckingandMeasuringTechnology,ofMinistryofEducation,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)Abstract:Wind-turbinegearboxis吼importantpartoperationofwind-turbine.itsvibrationcharacteristichas肌impactonthenoFm—onofthewholesystem.5DtheresearchOFtnaturalcharacteristicsofgearboxisofgreats移ificO.1罅e.Basedthebythree-dimensionalsolidmodeloflargewindturbinegearboxandcouplingtranzmissionsystemandgearboxtogethersimplifyingbearingswithsprings,thecouplednonlineardynamicalFEtomodelcontaininggears-shafts—bearings-housingforofthewholegearboxwithLo骱czosthegearbox叫础builtcomprehensivelythepe咖rmthecoupledmodalanalysismethod,andwasnaturalfrequencyandtheJbrmofvibrationⅢ娜obtained.Theandresultresultshowedresonancephenomenoninhighermodestheoreticalbasisproducedbyanalyzinggearoptimizationmesh血queneyofmodalsimulation,whichprovided潞咖ffordes咖ofwindturbinegearboxsystem.KeyWords:Wind-TurbineGearbox;NaturalCharacteristic;MeshFrequency1引言在风力发电中,风电齿轮箱是把风能转化为电能的增速传动装置。风电齿轮箱结构复杂,在传动过程中受到外部随机载荷、冲击载荷以及装配误差引起的振动,其运行状态直接影响整个发电机组的正常工作,因此对风电齿轮箱系统固有特性的研究是十分有必要的。国内外学者从研究方法、研究对象以及研究内容方面对齿轮箱系统的固有特性进行了大量的研究。从研究方法上看主要从集中质量法和有限元法对齿轮一转子一箱体进行建模㈣;研究对象主要针对直齿轮和斜齿轮㈣;在研究内容上主要考虑质量不平衡、静态传递误差、弯扭耦合特性及装配误差等p”诸多因素对齿轮箱固有特性的影响。对齿轮箱系统固有特性进行分析,采用传统解析法将大大提高计算难度,而有限元法却能改善计算来稿日期:2013-10—17精度,有利于对齿轮箱固有特性的求解分析。采用Hypermesh有限元软件对5MW风电齿轮箱系统进行前处理,建立风电齿轮箱齿轮—传动轴—轴承—箱体系统耦合非线性动力学有限元模型,在Abaqus软件中采用Lanczos方法进行耦合模态分析得到固有频率和固有振型,通过与齿轮啮合频率对比分析得出风电齿轮箱系统是否发生共振现象。2风电齿轮箱传动原理5MW功率分流风电增速齿轮箱传动原理图,如图1所示。该齿轮箱系统包含两级行星轮系统和一级平行轴齿轮传动,行星轮传动系统结构属于NGW型。齿轮箱内齿圈固定,由行星架输入并驱动行星轮带动太阳轮转动,太阳轮输出作为下一级齿轮传动的输入,最后由平行轴输出。输入级行星系统作为低速级,由五基金项目:国家科技支撑计划课题(2012BAA01805);国际科技合作专项项目(2013DFA70730);重庆市科技攻关计划项目(CSTC2012CG-YYJSB90002)作者简介:许洪斌,(1967一),男,湖北人,教授,主要研究方向:机械设计理论及自动化,先进制造技术的研究吴灿元,(1987一),男,福建龙岩人,在读研究生,主要研究方向:机械设计及理论万方数据.堑5期许洪斌等:大型风电齿轮箱耦合固有特性仿真分析3.2风电齿轮箱耦合有限元模型193个行星直齿轮内啮合传动;第二级行星系统作为中速级,由三个行星斜齿轮内啮合传动;输出级作为高速级,由斜齿轮外啮合传动。根据已建立的风电增速箱实体模型,采用Hypermesh对实体划分阿格。对齿轮、行星轮轴等规则零部件划分六面体单元,对箱体、行星架等不规则零部件划分四面体单元,网格数量共计生r583800个单元,623471个节点。在风电齿轮箱系统耦合有限元模型中,行星系统内部各部件连接原理,如图4所示二啮合齿轮副用弹簧单元连接,箱体轴承座内表面与传动部件及行星轮与行星轮轴之间用弹簧单元模拟轴承,轴承用四个弹簧单元模拟,四个弹簧单元呈“十”字形分布,对输入输出部件释放转动自由度,完全约束支撑臂作为边界约束条件,建立齿轮一传动轴一轴承一箱体耦合非线性动力学有限元模型,如图5所示。孟轧可沥5可Fig.ITheSchematicDiagramof『p图15MW风电增速齿轮箱传动原理图5MWWindTurbineSpeed—IncreasingGearbox图中:p一』、c广一行星轮、太阳轮和内齿圈,仨l,2一齿轮传动级数;s厂・输出大齿轮;s厂—输出齿轮轴增速箱齿轮传动参数,如表l所示。表1风电齿轮箱传动参数Tab.1TransmissionParametersofGearbox)>ringwheel享lS‘;lS1C÷◆齿数法向模数342036200104200451642216411316410314923149力<÷’,/赢I)0xhousing;DOF惫ecII1111Jo^卜隧wi划{iffnessJw哑划{图4行星系统连接原理图Fig.4SchematicRepresentationofPlanetaryStage螺旋角/。03风电齿轮箱体有限元模型3.1风电齿轮箱实体模型风电齿轮箱系统包括结构子系统和传动子系统。该系统结构比较复杂,建立系统实体模型时对某些部件做了相应的简化处理,如太阳轮与行星架处的花键连接用圆孔配合作等效处理。为了改善网格质量,在建模时忽略了螺栓孔、键槽、小圆弧和倒角等小特征,上述简化处理方式并不影响系统有限元分析的准确程㈣5M}U由轮箱梢介仃限兀懊‘型ElementModelofCoupledGearbox度。根据该增速箱结构及各级齿轮传动参数,采用UG8.0软件建立系统三维实体模型,该增速箱系统实体模型及内部传动结构模型,如图2、图3所示。Fig.5TheFinite4风电齿轮箱固有特性分析4.1模态分析理论模态是机械系统的固有属性,其与约束状态有关,而与所受外载荷无关。一个模态参数模型涉及固有频率、阻尼比和固有振型等参数,通常系统物理参数模型用振动微分方程表示。齿轮箱系统多自由度振动微分方程为:[M]㈦+Ic]㈦+EK]t图2齿轮箱系统实体模型Fig.2SolidModelofGearboxx}-{F}(1)式中:[M]一齿轮箱系统质量矩阵;[c]—齿轮箱系统阻尼矩阵;[K]一齿轮箱系统刚度矩阵;[F]—外载荷矢量;{互】、{互}、{并f—齿轮箱系统振动加速度、速度和位移矢量。考虑齿轮箱为无阻尼系统,则[c]和[明取为0。故风电齿轮箱无阻尼自由振动微分方程为:l肘]{;}+[K]{菇}-o根据上式求解出齿轮箱系统各阶固有频率及振型。同3传动系统文体模型Fig.3InternalTransmissionModelofGearbox(2)4_2风电齿轮箱模态分析采用I.anczos法对风电齿轮箱系统的固有频率和振型进行万方数据No.5194机械设计与制造May.2014求解。这种方法不但求解精度高,求解速度快,而且特别适合大型共振现象,因高阶振型对结构实际振动贡献量非常小,对齿轮系模型的模态求解。Lanczos法求解矩阵方程主要步骤如下:统结构不构成较大的危害。(1)初始化:选择初始向量q,,且使l叮.I=1,初始条件肛0,q0=O;5结论(2)迭代:迭代公式为r+。=Aqj—qq鸣qj,通过建立风电齿轮箱耦合非线性有限元模型,采用Lain・ZOS其中0I=田Aqj,q+。=rj+。馋+。;法进行固有特性研究分析得出系统固有频率和固有振型。低速级和(3)迭代没有截断误差的条件下,Lanczos算法前j步可表示:中速级行星系统齿轮啮合频率远离固有频率不引起系统共振现象,AQ—QI=q+.q+。e』(3)而高速级齿轮啮合频率接近系统高阶固有频率产生共振现象。通过式中:e厂第i个单位向量,设0和s为三对角阵乃的一个特征研究风电齿轮箱系统固有特性,为齿轮箱的动态设计提供依据。对,即rjs=so。则p和Y(y=郎)为原求解问题的一个特征参考文献[1]马辉,朱丽莎,王奇斌斜齿轮—平行轴转子系统模态耦合特性分析对,方程可变为:[J]中国电机工程学报,2012,32(29):131—136.Ay-YO=g+I(MaHui,Zhuqj+ls(4)Li—sha,WangQi-bin.Modalcouplingcharacteristicanal—ysisofahelicalrotorshaftslJ从而由对A的特征值的解变为对Z的解,并且解出来的rgearsystemwithparallelJ.ProceedingsoftheCSEE.2012.32(29):131—136.)特征解近似于原矩阵A的特征根。因此Lanczos对大型结构模态[2]KuhurM,KahramanA,ZiniDM,etal.Dynamicanalysisofamahi-shaft问题具有非常快且有效的求解速度。在ABAQUS有限元软件中helicalgeartransmissionbyfiniteelementslJj.JournalofVibrationand采用Lanczos方法对风电齿轮箱系统进行约束模态求解。对齿轮Acoustics.2004.126(3):398-406.[3]林雪妹,童永光。童小红.大型船用齿轮箱的模态分析及结构优化[J]箱支撑臂进行6个自由度完全约束,轴承用弹簧模拟,得到前10机械设计与制造,2011(11):175—177.阶固有频率和振型,前10阶固有频率及其对应振型,如表2所(LinXue—mei.TongYong—guang,TongXiao—hong.Modalanalysisand示。前3阶和第44阶固有振型图,如图6所示。structuraloptimizationofheavydutymarinegearbox[J]MachineryDesign&Manufacture,201l(11):175-177.)表2风电齿轮箱前10阶固有频率及振型[4]朱才朝,陆波,徐向阳.大功率船用齿轮箱传动系统和结构系统耦合特Tab.2NaturalFrequencyandVibrationofGearbox性分析[J]船舶力学,2011,15(11):1315—1321.(ZhuCai--chao,LuBo,XuXiang-yang.Analysisofcouplingcharacteristicoftransmissionandstructuresystemoflarge—powermarinegearbox[J].JournalofShipMechanics,2011.15(11):1315—1321.)[5j朱才朝,黄泽好,唐倩风力发电机齿轮箱耦合非线性动态特性的研究lJ].机械_1:程学报,2005,41(8):203—207.(ZhuCai—ehao,HuangZe—hao,TangQian.Reseachoncoupleddynanficcharacteristicwithnonlinearofwindturbinegearbox[J].JournalofMech—anicalEngineering,2005,41(8):203-207)[6]戴继双,马辉,李朝峰.含增速齿轮的转子系统固有特性研究[J]东北大学学报,2011,32(9):1299—1303.(DaiJi-shuang,MaHui,LiChao—feng.Researchontheinherentcharact—eristiesofrotorsystemwithspeedincreasinggear[JlJournalofNorthea-stemUniversity,2011,32(9):1299-1303.)[7]杨长辉,谭勇虎,许洪斌.大功率核电循环泵行星齿轮箱结构强度及耦合模态分析[J]重庆理工大学学报,2013,27(1):18—2I.(YangChang—hui.TanYong-hu.XuHong—bin.Structurestrengthandcouplingmodalanalysisofcirculatingpumpplanetgearboxusedlarge—powernuclearstation[JjjournalofChongqingUniversityofTechnology,,2013,27(1):18-21.)[8j刘爱敏。王含英.2K—H型行星齿轮传动的固有特性研究[J]矿山机(a)第1阶振型)第2阶振型械,2012,40(5):I14—118.(1,iuAi—min,WangHan-ying.Studyoninherentcharacteristicsoftrans-missionof2K—Hplanetarygear[J].Mining&ProcessingEquipment,2012,40(5):114一118.)[9]窦唯,张楠,刘占生扁速齿轮转子系统弯扭耦合振动研究[J]振动工程学报,20I1,24(4):386-393.(DouWei,ZhangNan,LiuZhan-sheng.Thecoupledbendingaodtorsionalvibrationsofthehigh—speedgearedrotor-bearingsystem[J].JournalofVibrationEngineering,2011.24(4):386-393.)第44阶抓型110jKahramanA.Naturatmodesofplanetarygemtrains.ioumalofsomldand图6风电齿轮箱振型图vibration[J].1994,173(1):125—130.Fig.6TheVibrationModesofGearbox[11]宋学萍,刘树英,闻邦椿.齿轮一转子系统的振动特性分析[J]机械科齿轮箱输入转速为11.38r/min,在此转速下低速、中速和高学与技术,2006,25(2):153—157.速级齿轮啮合频率分别为19.73Hz、83.35Hz和466.19Hz。高速级(SongXue-ping.LiuShu-ying.WenBang-chuo.Vibrationcharacteristics齿轮啮合频率与系统第44阶固有频率464.68Hz十分接近,产生analysisof8gearrotorsystemlJj.MechanicalScienceandTechnology,2006.25(2):153-157.)万方数据大型风电齿轮箱耦合固有特性仿真分析
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
许洪斌, 吴灿元, 杨长辉, XU Hong-bin, WU Can-yuan, YANG Chang-hui
许洪斌,杨长辉,XU Hong-bin,YANG Chang-hui(重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆,400054), 吴灿元,WU Can-yuan(重庆理工大学机械工程学院,重庆,400054)机械设计与制造
Machinery Design & Manufacture2014(5)
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