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风力发电机增速器齿轮修形技术研究

作　者: 尚振国
导　师: 王德伦
学　校: 大连理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 风力发电机增速器齿轮修形有限元法接触分析
分类号: TH132.41
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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引　用: 2次
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内容摘要

本论文在国家高技术研究发展计划项目(863计划)(No.2006AA04Z101)的资助下,结合实际工程项目背景,对大功率风力发电机增速器齿轮修形技术理论与方法进行了深入研究。首先建立斜齿轮修形的数学模型。根据齿廓修形参数和齿向修形参数的几何定义,在啮合平面上建立修形曲面方程的统一表达式；以渐开线发生线滚动角和轴向截面的旋转角为参数,建立修形齿面切极坐标方程；根据连续相切接触条件,建立修形齿面啮合方程。为后续的几何模型和有限元分析模型奠定理论基础。其次,给出计算齿轮箱整体变形的具体方法。应用有限元刚体耦合技术构造箱体柔度矩阵,计算箱体变形；根据赫兹接触理论,计算滚动轴承变形。提出了基于SQL Server数据库的斜齿轮有限元信息结构模型,开发了参数化轮齿接触分析有限元建模程序。该程序首先应用APDL生成原始直齿轮模型,将单元、节点信息导入SQL Server数据库,然后在SQL Server数据库中批量化变换、修改节点坐标,并导入ANSYS依据原单元与节点关系重建有限元网格,实现斜齿轮微观几何拓扑修形有限元分析的精确、高效建模。提出了一种基于分级剖分的网格细化方法,解决轮齿接触区网格细化难题,与以往的全齿面细化相比,可以有效地缩减节点规模,提高计算效率和精度。然后,将轮齿齿面离散成若干点,以离散点对的接触代替实际齿面接触,根据轮齿啮合变形协调条件和力平衡关系,建立轮齿面-面接触分析数字化模型。以修形参数作为设计变量,以避免啮入、啮出冲击和载荷均布为目标函数,结合面-面接触分析模型,建立考虑增速器整体变形条件的齿轮修形优化设计模型。将齿轮箱体、轴承、轴、齿轮体的受载变形耦合至齿面各接触点上,对接触点的法向变形进行三次样条拟合,从而得到齿面变形函数,再基于“反变形”思想对齿面进行修形,分析修形后的接触应力、载荷分布、接触斑点等啮合性质,从而确定修形参数。最后,通过分析考察修形参数对某风力发电机增速器输出级斜齿轮传动啮合性质的影响,确定最佳修形参数。在某企业1.5MW风力发电机增速器试验台上,采用DP1500振动信号采集分析系统,测试4种工况下增速器的振动信号。测试结果显示在计算工况下,啮合频率上的振动信号幅值最小,表明根据本文方法确定的齿轮修形参数是基本合理的,验证了本文理论和方法的正确性和有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
1 绪论  11-30
  1.1 论文背景  11-12
    1.1.1 社会经济背景  11
    1.1.2 技术背景  11-12
  1.2 文献综述  12-28
    1.2.1 国内风电齿轮增速箱发展现状  12-13
    1.2.2 齿廓修形的基本原理  13-15
    1.2.3 齿向修形的基本原理  15-16
    1.2.4 直齿轮修形  16-20
    1.2.5 斜齿轮修形  20-26
    1.2.6 齿轮修形实验研究  26-28
  1.3 本文研究方法及主要工作  28-30
2 斜齿轮修形的数学模型  30-39
  2.1 斜齿轮修形参数的几何定义  30-33
    2.1.1 齿廓修形参数的定义  30
    2.1.2 齿向修形参数的定义  30-31
    2.1.3 修形曲面方程  31-33
  2.2 齿面方程  33-34
    2.2.1 标准渐开线齿面切极坐标方程  33-34
    2.2.2 修形齿面切极坐标方程  34
  2.3 啮合方程  34-38
    2.3.1 齿面族方程  34-35
    2.3.2 连续相切接触条件  35-36
    2.3.3 啮合方程的求解方法  36-38
      2.3.3.1 啮合方程的等效解法  36-37
      2.3.3.2 初值的确定  37-38
  2.4 本章小结  38-39
3 齿轮箱体和轴承的变形  39-49
  3.1 箱体和轴承变形的计算方法  39-42
    3.1.1 接触约束算法  39
    3.1.2 迭代算法  39-42
  3.2 箱体的变形  42-43
    3.2.1 箱体柔度矩阵  42-43
    3.2.2 箱体的变形  43
  3.3 滚动轴承的变形  43-48
    3.3.1 接触弹性变形与负荷的关系  43-44
    3.3.2 轴承的弹性变形协调条件  44-45
    3.3.3 轴承内部力平衡条件  45-46
    3.3.4 轴承变形的数值计算  46-48
  3.4 本章小结  48-49
4 齿轮组件有限元接触分析参数化建模  49-64
  4.1 齿轮组件参数化模型的信息结构  49-51
  4.2 原始直齿轮模型的生成  51-56
    4.2.1 端面齿廓方程  51
    4.2.2 原始直齿轮建模的基本步骤  51-56
  4.3 原始模型节点处理和斜齿轮的生成  56-57
    4.3.1 节点信息处理  56
    4.3.2 由直齿轮经坐标变换形成斜齿轮  56-57
  4.4 接触区六面体网格细化  57-61
    4.4.1 接触线方程  57-58
    4.4.2 接触区宽度  58
    4.4.3 接触区六面体网格细化步骤  58-61
  4.5 齿面微观几何拓扑修形的实现  61-62
  4.6 轮齿接触分析参数化建模原型程序开发  62-63
  4.7 本章小结  63-64
5 基于增速器整体变形条件的斜齿轮修形优化设计  64-78
  5.1 轮齿面—面接触分析数字化模型  64-69
    5.1.1 理论渐开线齿廓轮齿变形协调关系  65-67
    5.1.2 修形齿廓轮齿变形协调关系  67-69
    5.1.3 力平衡关系  69
  5.2 斜齿轮修形的优化设计模型  69-77
    5.2.1 设计变量  69
    5.2.2 斜齿轮修形优化设计的目标函数  69-71
    5.2.3 斜齿轮修形优化设计求解过程  71-77
      5.2.3.1 计算增速器整体变形的基本过程  71-72
      5.2.3.2 确定修形参数的基本过程  72-77
  5.3 本章小结  77-78
6 1.5MW风力发电机增速器齿轮修形分析  78-109
  6.1 风力发电机增速器输出级斜齿轮的修形方案  78-84
    6.1.1 风力发电机增速器简介  78-79
    6.1.2 齿轮修形方案  79-84
      6.1.2.1 齿廓修形方案  79
      6.1.2.2 齿向修形方案  79-80
      6.1.2.3 修形曲面方程  80-84
  6.2 确定修形曲面方程系数的步骤  84-93
  6.3 修形前后轮齿啮合状态的数值仿真对比分析  93-100
    6.3.1 载荷分布  93-95
    6.3.2 接触区分布  95-99
    6.3.3 接触应力分布  99-100
  6.4 工况适应性分析  100-102
  6.5 修形后增速器振动测试试验与分析  102-108
    6.5.1 试验设备及试验工况  102
    6.5.2 试验齿轮副  102
    6.5.3 试验结果与分析  102-108
  6.6 本章小结  108-109
结论与展望  109-111
  结论  109
  展望  109-111
创新点  111-112
参考文献  112-119
攻读博士学位期间发表学术论文情况  119-120
致谢  120-121
附件1  121-122
附件2  122-143
作者简介  143-145

风力发电机增速器齿轮修形技术研究

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