齿轮增速箱是风力发电机组的关键部件，由于其在随机自然风场和高空架设等使用环境下运行，要求比一般机械系统具有更高的可靠性和使用寿命。兆瓦级风力发电机组多采用行星齿轮传动系统，具有低速重载变载荷变转速运行的特点，在随机风的作用下受到频繁的扰动和激励，动力学特性十分复杂，对系统可靠性及机组运行稳定性有较大影响。针对风力发电传动系统的实际工况特点，研究行星齿轮传动系统动态性能，有利于突破大型风电能源装备传动装置的核心技术，推动大型风电传动装备设计制造的国产化进程。本课题是国家自然科学基金项目（50975294）研究内容的组成部分，在引入以随机风载为主要外部激励，并考虑主要内部激励的条件下，研究风力发电机行星齿轮传动系统的动力学特性，主要研究内容包括：①风力发电机传动系统外部载荷特性研究根据自然风的谱特性，基于随机信号谱估计方法建立了用于随机风速模拟的AR（AutoRegressive，AR）模型；运用风力机气动理论建立了风力机气动载荷计算模型；根据电机理论，基于旋转电机矩阵分析方法推导了变速恒频发电机的能量转换关系和电磁转矩表达式，建立了双馈感应发电机（Doubly Fed InductionGenerator，DFIG）矢量控制模型；根据机械系统动力学，建立了风力发电传动系统的等效动力学模型。在此基础上，综合上述各数学模型，同时考虑DFIG及风力机叶片桨距角的控制方法，建立了反映风力发电机组运行过程的风-机-电联合仿真模型，利用该模型进行仿真计算，得到风电传动系统的外部动载荷，并分析了该动载荷的作用规律和性质。②行星齿轮传动系统动力学模型及动态激励根据机械振动理论，将齿轮副处理为啮合线上的阻尼弹簧，并考虑支承轴承的弹性，采用集中参数法建立行星齿轮系统的扭振-平移动力学模型，并导出其振动微分方程，并对行星齿轮系统的轮齿啮合刚度、轴承支承刚度、行星轮啮合相位和外部变载荷等主要激励因素进行了分析。③行星齿轮系统齿轮轴承刚度变化下的固有振动特性研究在计算系统固有频率及振型的基础上，分析了轮齿啮合刚度和各支承轴承刚度对系统固有频率的影响，以及系统刚度影响下的模态跃迁现象。采用Fourier级数表示轮齿啮合时变刚度，基于Hertzian接触理论建立轴承刚度表达式，并考虑行星轮啮合相位关系，分析了行星齿轮系统刚度的时变规律，研究了系统在刚度时变条件下的频率特征及自由振动特性。④风电行星齿轮系统变载荷激励机理及动态响应特性研究对于变载荷作用导致转速变化和弹性变形的行星齿轮系统，利用能量法分析了变载荷作用下系统动能和势能及转换关系，结合内容②的理论推导结果，以Lagrange函数为基础，导出了变载荷作用下考虑转速波动的行星齿轮系统振动微分方程，探讨了变载荷对系统振动的激励机理，分析了载荷激励对系统振动频率的影响。在同时考虑系统刚度时变性和变载荷激励的条件下，采用Newmark方法求解了系统的动态响应，通过对求解结果进行分析，得到系统在内外部激励下的动态响应特性。⑤风电行星齿轮系统振动响应特性试验研究构建了背靠背台架试验系统，制定了风力发电齿轮系统动力学性能测试方案。分别在稳定和非稳定驱动/负载载荷工况条件下测量了传动系统的振动信号，通过对比分析稳定和非稳定载荷工况下的响应结果，获得变载荷对系统振动响应的影响规律，从而验证了理论模型和研究方法的正确性。