兆瓦級風力發(fā)電增速齒輪箱的效率研究與優(yōu)化.pdf

1、以兆瓦級（5MW～10MW）的風力發(fā)電增速齒輪箱的傳動效率為研究對象，圍繞齒輪箱功率損失中的攪油功率損失、卷吸功率損失、齒間嚙合功率損失等進行了深入分析和研究，擬合了功率損失的數(shù)值計算公式，用實驗的結果對公式進行了驗證，并對兆瓦級的風電增速齒輪箱的傳動效率進行了優(yōu)化計算，為下一步大功率風電設備的研發(fā)提供數(shù)據(jù)和理論支持。在研究過程中主要進行了以下五個方面的工作。
　　首先：對齒輪箱中外嚙合直齒輪或斜齒輪的攪油功率損失進行了有限元分析

2、、計算和實驗研究。針對單獨轉動的直齒輪或斜齒輪，考慮潤滑油的粘性和密度，齒輪的螺旋角、模數(shù)、齒數(shù)、齒寬、轉速、周邊工作溫度、箱體尺寸、重力加速度和潤滑油浸沒深度等參數(shù)的影響，以粘性流體動力學 N-S方程為基礎，建立了齒輪攪油的三維模型，分析了齒輪攪油功率損失的特點和形成原因。對于直齒圓柱齒輪，攪動潤滑油后主要產生切向流，側面泄漏量非常小，可以忽略齒寬的影響；對于斜齒圓柱齒輪，攪動潤滑油后產生的流動具有三維流動特點，需要考慮周向流、徑向流

3、和軸向流的共同效應，該模型以軸向泵或風機的流動為參考依據(jù)。采用三維分析方法，運用有限元仿真分析對上述攪油功率損失進行了數(shù)值計算，使用與仿真參數(shù)相同的實物模型對影響攪油功率損失的參數(shù)進行了多組實驗驗證，繪制了各參數(shù)對攪油功率損失影響的擬合曲線，比對了數(shù)值計算和實驗數(shù)據(jù)的誤差，并對誤差產生原因和來源進行了分析。結果表明：理論分析結果和實測結果接近，攪油功率損失的擬合公式可以作為多級行星增速箱效率優(yōu)化設計的理論依據(jù)。
　　其次：對行星傳

4、動中的內齒圈與行星輪齒廓圍成區(qū)域之間的卷吸功率損失進行了有限元分析、計算和實驗研究。針對內齒圈固定、行星輪公轉加自轉的增速箱結構，考慮潤滑油的粘性和密度，齒輪的壓力角、模數(shù)、齒數(shù)、轉速，周邊工作溫度、箱體尺寸，重力加速度和潤滑油浸沒深度等參數(shù)的影響，同樣以粘性流體動力學N-S方程為基礎，建立了齒輪卷吸的三維模型，分析了齒輪卷吸功率損失的特點和形成原因。對內齒圈和行星輪之間由于漸開線齒廓圍成的封閉或半封閉區(qū)域面積變化形成的潤滑油卷吸功率損

5、失進行了穩(wěn)態(tài)理論分析和瞬態(tài)有限元仿真計算，并根據(jù)仿真計算的結果擬合了多參數(shù)影響下的卷吸功率損失計算公式。進一步，使用三種不同參數(shù)的NGW系列行星傳動機構進行了實際卷吸功率損失的測試，實測結果與擬合公式的結果基本一致。
　　再次：研究了直齒輪、斜齒輪的瞬態(tài)齒間嚙合功率損失。對于直齒外嚙合或內嚙合變位齒輪齒間瞬態(tài)嚙合功率損失，使用粘性流體動力學的方法建立齒間彈性變形的接觸線、面的正壓力和摩擦力的關系式，使用赫茲接觸公式建立接觸半寬和正

6、壓力之間的關系、使用彈性流體力學理論建立膜厚與正壓力、摩擦力之間的關系式，將多參數(shù)求解轉化為單參數(shù)求解，使用迭代的方法求解計算出各參數(shù)對齒間嚙合效率的影響。對于斜齒外嚙合或內嚙合齒輪的齒間瞬態(tài)嚙合損失，基本方法和思路與直齒輪相同，不同的是需要采用離散的方法將嚙合線轉化為具有足夠精度的多個離散點，對離散點求取該點的瞬態(tài)嚙合效率，再求取某條嚙合線的平均效率。對于直齒內嚙合或外嚙合行星齒輪機構，瞬態(tài)嚙合時由于行星機構齒數(shù)和行星輪個數(shù)的原因行星

7、輪之間產生了相位差，不同的行星輪同時嚙合但嚙合點在嚙合線上的位置不同，因此行星輪齒間嚙合功率損失還要增加行星輪數(shù)量、行星輪齒數(shù)和相位差之間的關系式參與迭代計算。
　　第四：針對兆瓦級風力發(fā)電齒輪增速箱的兩種常用結構型式，以效率為目標進行優(yōu)化設計。在對兩種增速箱進行靜力學分析、運動學分析的基礎上，先以傳統(tǒng)優(yōu)化方法進行了第一輪優(yōu)化，計算出滿足設計功率和傳動比的不同齒數(shù)、行星輪個數(shù)的行星機構，進行校核后分別給出了效率最高、重量最輕、尺寸

8、最小的前50種組合；第二輪優(yōu)化將前面研究分析結果帶入優(yōu)化程序，考慮變位系數(shù)對直齒輪、斜齒輪瞬態(tài)齒間嚙合效率的影響，考慮行星輪的相位差對齒間瞬態(tài)嚙合效率的影響，考慮直齒輪、斜齒輪攪油功率損失的影響，考慮行星輪卷吸功率損失的影響，得到多參數(shù)優(yōu)化后的行星輪結構配比，建立其三維模型，為進一步進行運動分析、強度有限元分析提供源文件。
　　最后：試制了一臺5kW風機增速箱樣機，搭建了30kW能量封閉式電加載的齒輪效率實驗臺，自行設計了實驗原理