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水平轴风力发电机组传动系统的动力学模型建模方法研究

作　者: 石云岩
导　师: 赵荣珍
学　校: 兰州理工大学
专　业: 机械制造及自动化
关键词: 传动系统拉格朗日能量法集中参数有限元模态分析
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

传动系统作为风力发电机组的动力传递装置，是风力机的一个重要组成部件，直接关系着风力发电机组的整体性能。国内外正专门组织力量对传动系统的设计、制造等各个环节进行攻关研究。国内外传动系统的研究主要针对齿轮箱内部零部件的耦合动力学研究。对传动系统的动态分析理论及方法进行深入研究，建立系统的总体精确动力学模型，才能更好的掌握传动系统的动态特性，提高整体传动系统的性能。本论文以双馈变速恒频风力发电机组两种传动链为研究对象，建立了两种支承结构形式的风力机传动系统模型并对其进行了系统的动力学分析。本文的主要工作内容和研究结论如下：1)分析风力机传动系统的结构形式，简单对比几种传动链形式优缺点。重点分析了双馈变速恒频风力发电机组的三点悬挂和四点悬挂传动系统因轴承个数及分布不同而引起整个传动系统的激励的变化。结果分析得到三点悬挂式静态无较大集中力，但载荷对齿轮箱行星机构冲击较大；四点悬挂式受力集中，载荷主要对前两个轴承冲击较大。2）推导拉格朗日方程的原理。把轴系集中参数化、有限元化后简化为梁单元，用拉格朗日能量法推导梁单元的微分方程，应用于轴系的传动系统建模分析。推导出风力机齿轮箱行星架各构件之间的相对位移关系，最后把微分代数方程推导为纯微分方程，便于动力学方程的求解。3）利用牛顿第二定律建立行星传动系统的动力学方程。推导行星传动系统各个齿轮直接的位移关系，建立广义坐标与局部坐标的关系。为拉格朗日能量动力学模型和牛顿第二定律动力学模型提供理论基础，考虑系统的横向振动和系统扭转振动，根据牛顿第二定律建立行星传动系统的动力学方程，得到并分析系统的固有频率和相应的振动模式。4）应用拉格朗日方程、弹性动力学分析法及多体动力学等理论，利用集中参数法和有限元法相结合的方法，建立两种传动链的动力学模型。首次提出用单元法推导局部坐标的相对的关系，为三点悬挂与四点悬挂传动系统局部坐标转化为广义坐标提供理论依据。在建模过程中，首次考虑轴承变形、数目和支承位置的变化对整个传动系统固有特性的影响。分析主轴轴承数目的变化引起的行星架受力、变形和传动系统的固有频率的变化。5)在拉格朗日原理分析整个传动链的动力学的基础上，用有限元方法分析和对比两种传动系统主轴的结构受力变形和前十阶模态。用mass21单元对调心轴承进行约束和载荷的施加，分析和对比了两种传动轴对整个传动系统动力特性的影响。分析结果和第四章的整机固有特性对比分析可以看出，三点支承式主轴受力与变形比四点支承大，三点支承式主轴对齿轮箱行星架轴承要求较高。四点支承式主轴模态变形比三点支承式主轴大。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-11
插图索引  11-13
附表索引  13-14
第1章绪论  14-19
  1.1 选题背景及意义  14-15
  1.2 国内外研究现状  15-17
    1.2.1 国内外技术研究现状  15
    1.2.2 国内外理论研究现状  15-17
  1.3 主要研究内容  17-19
第2章风力机传动系统基本结构及动力学分析  19-27
  2.1 引言  19
  2.2 风力机传动系统基本结构  19-21
    2.2.1 直驱风力机  19-20
    2.2.2 双馈式风力机  20-21
  2.3 拉格朗日方程  21-22
  2.4 运动微分方程推导  22-25
  2.5 系统动力学方程计算与分析  25-26
  2.6 本章小结  26-27
第3章行星传动系统动力学模型及分析  27-34
  3.1 引言  27
  3.2 行星架的相对位移分析  27-28
    3.2.1 太阳轮与行星轮沿其啮合线方向的相对位移  28
    3.2.2 内齿圈与行星轮沿其啮合线方向的相对位移  28
    3.2.3 行星架与行星轮相对位移  28
  3.3 行星机构运动方程的建立  28-31
  3.4 行星传动系统的振动模式分析  31-33
  3.5 本章小结  33-34
第4章双馈式风力机传动系统建模及分析  34-51
  4.1 引言  34
  4.2 双馈式风力机传动系统  34-36
  4.3 传动系统的动力学模型建模  36-45
    4.3.1 系统的动能  36-37
    4.3.2 系统的势能  37-45
  4.4 约束条件分析和定义  45-46
  4.5 动力学方程  46
  4.6 传动系统固有频率计算与模态特性分析  46-50
  4.7 本章小结  50-51
第5章两种传动主轴有限元模型建立与求解方法研究  51-64
  5.1 引言  51
  5.2 两种主轴的结构力学分析  51-57
    5.2.1 主轴的有限元模型的建立  51-53
    5.2.2 主轴材料及计算载荷  53-54
    5.2.3 静力载荷计算结果  54-57
  5.3 主轴模态分析  57-62
    5.3.1 模型和约束的建立  57-58
    5.3.2 主轴的固有频率  58-59
    5.3.3 主轴的振型图  59-62
  5.4 本章小结  62-64
第6章总结与展望  64-66
  6.1 主要结论  64
  6.2 研究展望  64-66
参考文献  66-70
致谢  70-71
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  71-72
附录 B 参加科研项目情况  72-73
附录 C 振型的振动矢量  73-77

水平轴风力发电机组传动系统的动力学模型建模方法研究

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