变转速风电行星齿轮传动系统动力学特性
唐友福, 王 磊, 邹龙庆
【摘 要】摘要: 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.
【期刊名称】江苏大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2018(039)005 【总页数】6
【关键词】 行星齿轮; 变转速; 风力发电机; 动力学; 非平稳
引文格式： 唐友福,王 磊,邹龙庆. 变转速风电行星齿轮传动系统动力学特性[J].江苏大学学报(自然科学版),2018,39(5):550-555.
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51505079); 黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划项目(UNPYSCT-2015078)
行星齿轮传动系统是风力发电机的关键部件之一,主要承担着风载动力传递和发电机增速的重要作用.复杂恶劣的工况环境和高空维修维护的不便,对风电行星齿轮传动系统的可靠性提出了更高的要求,其性能的优劣及其动力学响应特性将直接影响风电系统整体的工作性能.
目前关于行星轮系的系统建模、动力学求解和动力学特性分析的理论体系大多建立在定转速工况假设基础上,该理论框架下的研究成果已经非常丰硕,是一个相
对成熟的研究领域.文献[1]最早建立了行星轮系的非线性纯扭转动力学模型,对其固有频率、参数敏感性和稳定性问题进行了深入的研究.文献[2]建立了考虑啮合力的有限元纯扭转模型,研究啮合相位对太阳轮振动的影响.文献[3]考虑了齿轮啮合综合误差、齿轮副啮合间隙以及时变啮合刚度等因素的影响,建立了行星轮系的弯扭耦合动力学模型,并对其非线性频响特性进行了系统研究.文献[4]提出了一种基于动力学的传感器加速度信号仿真方法,通过一个修正的Hamming函数来表示传递路径的影响,并将传感器感知的振动视为每个行星齿轮振动的加权求和.文献[5]考虑了行星轮多重啮合间相位关系,提出了计入啮合相位的时变啮合刚度,建立了行星齿轮传动系统的平移-扭转耦合非线性动力学模型,分析了其载荷不均匀系数的变化规律.文献[6]综合考虑了齿侧间隙、时变啮合刚度、综合啮合误差等因素,建立了齿轮系统动力学模型,并利用Melnikov 方法对系统分岔及混沌的参数区域进行了预测.
然而,对于实际的风力发电机而言,由于受不规律风场和频繁低速启动等因素的影响,风电行星齿轮传动系统的工作载荷和转速是时变的,产生的振动信号具有明显的非平稳冲击特性.此外,在齿轮啮合过程中,由于同时参与啮合的齿对数和轮齿啮合位置的周期性变化,导致齿轮啮合刚度具有典型的时变特性,这也是导致齿轮冲击和振动的主要来源.目前,关于齿轮时变啮合刚度的计算有多种方法,如势能法[7-8]、有限元法[9]或试验法[10-11]等.但是当齿轮转速发生变化时,会进一步加剧时变啮合刚度的非平稳性,这使得基于定转速工况假设的理论研究成果无法直接应用于实际变转速齿轮传动系统的动力学建模分析.变转速工况下的齿轮传动系统动力学问题研究已成为研究的热点[11-14],但研究仍以固定轴齿轮传动系统为对象进行展开.关于变转速行星齿轮传动系统的动力学特性研究的文献较
少.文献[15]在忽略陀螺效应、向心力、制造误差及摩擦等因素的条件下,建立了变速风电行星轮系的动力学模型,通过将时变啮合刚度进行傅里叶级数展开为转速的函数,分析了变转速工况下不同故障对传动系统动态响应的影响规律.然而这种建模方法过于简化,仅考虑了齿轮接触齿数的变化,并未考虑接触位置的变化和阻尼力的影响.
为了更好地描述风电行星齿轮传动系统在变转速工况和齿轮副时变啮合刚度等因素影响下的动力学特性,文中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,并对仿真的动态响应信号与风电齿轮箱试验台实测振动信号进行了线性升速过程的波形分析.
1 行星齿轮传动系统的动力学模型
图1为风电增速齿轮箱试验台的传动系统结构简图,由NGW行星传动和两级平行轴传动系统组成.其中内齿圈固定,力矩由行星架进行输入,通过带动行星轮由太阳轮进行输出.
由于图1所示行星齿轮传动系统中,既有行星架和太阳轮的定轴转动,也有行星轮的平面运动,因此,为了便于分析各部件的空间位置关系,首先选择在行星架的随动坐标系ζnOnηn(n为行星轮编号)下建立动力学模型,然后通过坐标变换转化为固定坐标系xOy下的动力学模型.图2为建立的行星齿轮传动系统的平动-扭转动力学模型.
与文献[14]中变转速行星齿轮动力模型相比,文中所建模型不仅考虑了齿轮副之间的时变啮合刚度的影响,而且综合考虑了齿轮副之间的制造误差和阻尼力的综合因素影响,而这些因素是影响行星齿轮传动系统动力学响应精确度的重要因素. 对于动坐标系中的任意坐标(x,y)可通过固定坐标系中的位置矢量r表示为
变转速风电行星齿轮传动系统动力学特性
