随机风速会使风电齿轮箱传动系统出现频繁的载荷波动,造成复杂的结构变形,容易产生齿轮偏载,加剧其接触疲劳失效风险。提出了一种考虑环境参数随机不确定性的风电齿轮箱传动系统疲劳性能优化方法,在建立计入全局载荷的风电齿轮箱传动系统动力学模型基础上,利用代理模型方法重构“平均风速、湍流强度-齿轮修形参数-齿轮长期接触疲劳损伤”映射关系,建立考虑风速概率分布的多级齿轮修形参数优化函数,对比了风电齿轮箱传动系统疲劳性能优化效果。结果表明,低速级太阳轮长期接触疲劳损伤值大于0.7,是风电齿轮箱传动系统高可靠设计的薄弱环节之一;优化后的风电齿轮箱齿轮长期接触疲劳损伤值明显降低,其中低速级太阳轮长期接触疲劳损伤值降低了11.37%,疲劳性能提升效果显著。

针对布谷鸟搜索(CS)算法易出现早熟收敛以及风电机组齿轮箱的故障模式难以有效识别等问题,提出一种基于自适应CS算法的BP神经网络(SaCS-BP)智能诊断技术。通过构建SaCS算法,实现了步长和发现概率的自适应调整,并采用一组基准函数测试了该算法的有效性;将SaCS与BP神经网络进行融合,构建了风电齿轮箱的故障诊断模型。结果表明,SaCS算法具有较佳的寻优精度和普适性。此外,与BP神经网络以及布谷鸟搜索算法优化BP网络(CS-BP)相比,SaCS-BP算法获得了最高的诊断准确度,从而实现了风电齿轮箱故障模式的有效识别。

可靠的动力学仿真模型是振动改善的重要手段。以5.2 MW风电齿轮箱台架传动链动力学模型为例,以行业内的经验建模方法为基础,对动力学建模、响应评估与标定做了阐述。基于灵敏度优化方法对齿轮啮合动力学模型进行修正。最终修正后动力学模型的振动响应准确度较好,表明本文中的经验建模方法结合灵敏度优化方法,可建立比较可靠的动力学模型,是一种有效方法。

为获得磨损故障状态下风电齿轮箱的传动特性,开展仿真实验研究。以MW级风电齿轮箱为研究对象,基于SolidWorks与ADAMS建立相应的虚拟样机,在合理设置仿真参数的基础上,进行健康和两种中间级行星轮磨损状态的动力学仿真。结果表明:通过监测风电齿轮箱高速级小齿轮的角加速度信号,可以判定中间级行星轮是否存在磨损故障;中间级行星轮磨损故障状态下,高速级小齿轮角加速度信号的故障频率幅值随着磨损程度的增大而增大,啮合频率的幅值随着磨损程度的增大而减小;高速级小齿轮角加速度信号的边带啮合频率幅值比可以作为中间级行星轮磨损故障的判别依据,通过该值可以监测磨损故障的变化趋势。

以3. XMW风力发电齿轮箱的第一级柔性销轴行星齿轮传动为研究对象,建立了考虑齿轮啮合、轴承支撑、螺栓预紧的有限元模型。分析了在额定工况下行星轮系的应力和位移,计算了弹性销套和限位块之间的间隙变化及销轴的最大位移。计算结果表明,在额定工况下,弹性销套和限位块之间的间隙减小了0. 285 mm,没有发生接触,销轴末端最大位移约为0. 24 mm。根据齿圈根部的应力分布计算了该轮系在额定工况下的均载系数(k_γ)和齿向载荷分布系数(K_(Fβ)),并对该3. XMW风电齿轮箱进行了均载测试。对比结果表明,根据有限元方法计算的均载系数与实际情况相符合,且该柔性销轴结构具有很好的均载性能。

针对传统NGW型风电齿轮箱在使用过程中所产生的行星轮故障进行分析,找出行星轮损坏的原因,并提出一种风电齿轮箱传动结构的改进设计。对改进设计中采用的内齿圈旋转的NW型行星传动结构、设计应满足的要求、均载措施、性能特点等进行了阐述。运行实践表明,改进设计的风电齿轮箱具有承载力高、噪声低、可靠性高、传动效率高、可维护性好的特点。

行星传动机构作为风电齿轮箱关键部件,因承受无规律的风力作用及强阵风冲击变载荷作用,其工作时的可靠性决定着整台风电齿轮箱传动的可靠性。作为齿轮传动4项要求之一--适当的齿侧间隙是齿轮副正常工作的必要条件,是降低行星轮系传动时冲击、噪声、空程误差,以及提高风电齿轮箱使用寿命的关键。针对一级行星传动结构形式的风电齿轮箱行星齿轮副侧隙偏大问题,从零件制造、装配、测量3个方面对行星轮副侧隙的影响进行了深入分析,确认了装配工艺对行星齿轮副侧隙的影响,通过选配中箱体与主轴承,解决了行星轮齿轮副侧隙偏差问题。

针对风电机组齿轮箱中齿面点蚀、齿轮磨损、断齿等故障的诊断问题,提出一种基于EEMD小波阈值去噪和布谷鸟算法优化BP神经网络的故障诊断方法。采用EEMD分解和小波阈值去噪方法对故障振动信号进行数据预处理,抑制原始振动信号中的噪声干扰。利用布谷鸟算法优化BP神经网络对预处理后的信号进行诊断。小波阈值能更好地对EEMD分解中的高频分量进行去噪处理,CS-BP神经网络具有准确的模式识别精度和出色的全局寻优能力。通过实例仿真表明,提出的故障诊断方法具有良好的诊断精度、速度和成功率,具有较高的应用价值。

以额定工况下功率分流型2.5MW风电齿轮箱一级太阳轮为研究对象,采用弹流润滑理论计算轮齿的接触压力分布,利用断裂力学的相关知识分析了齿轮初始裂纹扩展成微点蚀的机理;在ABAQUS软件中建立了一级太阳轮的点蚀模型,在考虑弹流润滑的情况下运用扩展有限元法模拟了在初始裂纹为20μm下一级太阳轮微点蚀的形成过程;根据模拟数据,计算得到了裂纹尖端的应力强度因子,运用Paris公式建立了裂纹扩展长度和应力循环次数间的关系,并分析了不同初始裂纹长度下,裂纹的扩展特性。

针对风电齿轮箱中行星轮轴承外圈跑圈失效问题,分别从宏观结构以及微观材料进行了深入分析,确认了轴承结构以及行星轮系结构是行星轮轴承外圈失效的原因,通过无外圈轴承结构以及柔性销轴结构解决行星轮轴承外圈跑圈问题。