风电机组传动链振动分析与振动抑制方法研究

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风电机组传动链的振动将严重影响整个机组的动态可靠性与运行稳定性,甚至可造成结构破坏。因此,对传动链振动问题的研究势在必行。然而,高空运行下的传动链振动及其抑制一直是风电技术领域的一大难题,加之大柔性和轻质量结构在机组设计中的应用,进一步加剧了传动链的振动,其故障已经是导致机组过早失效的主要原因之一。针对此问题,本研究工作从理论推导和数值仿真验证两个方面,围绕着传动链振动特性的动力学建模、振动响应分析及振动抑制方法等问题进行了探讨。主要研究内容及获得的研究结论如下:  (1)基于传动链的构型特点及结构表现出的主要动力学特征,提出了一种简化的传动链结构模型。在此基础上通过推演传动链不同部件间扭转振动的建模机理,建立了一种考虑传动链柔性的耦合动力学模型,并采用虚拟样机模型进行了验证。结果表明:两模型中关键部件的振动趋势相同,部件的柔性因素导致机组关键部件的振动加剧,而且引起系统转速的波动。  (2)推导了传动链激励与响应不同步问题的动态误差方程,并给出了误差的量化表达式,由此分析了系统结构参数对传动链功率传递性能的影响。结果表明,该动态误差由“同步误差”分量和“自由振动误差”分量两部分组成,即两误差分量的线性叠加。其中,系统结构参数决定动态误差的类型,外部激励影响误差幅值的大小和误差持续时间的长短。增大轴系结构刚度能补偿部分“同步误差”分量,但“自由振动误差”分量随载荷的波动而始终存在。  (3)建立了一种多齿轮传动下时变啮合刚度对传动链动态性能影响的敏感性关系模型,分析了传动链固有振动特性受系统参数变化的影响。通过确定齿轮时变啮合刚度的量化分析模型并推导传动链的动态总刚度,建立了系统动态性能随刚度参数变化的敏感度关系模型。结果显示,系统高阶固有频率对时变啮合刚度和扭转刚度的变化非常敏感,随刚度值的递增,其敏感度呈现出先急剧上升后又缓慢下降至某一较小值附近基本保持不变的状态;然而低阶固有频率对刚度值的变化始终不敏感,因此采用增大系统刚度的方法不会使系统低阶固有频率得到显著的改善。  (4)分析了动态激励载荷作用下传动链的振动行为,获得了动态激励对系统振动响应特性的影响规律。研究表明,动态激励作用下系统扭转振动位移的变化规律与系统合力矩的变化规律相似;在相同频率范围内,动态激励使系统响应频率的阶次增加,丰富了系统的频率成分,其中行星级系统振动中表现出明显的低频成分,而平行级齿轮频谱与系统固有频率相接近的频率处出现了其它频率成分。故传动链振动响应分析需建立在时变参数和时变载荷的基础之上。  (5)针对冲击载荷作用下传动链的振动响应规律,提出了一种抑制传动链振动的方法。冲击载荷作用加剧了传动轴的载荷波动,应用被动减缓振动的方法后,主轴刚度提高10%可使低速中间轴振动峰值减小8%,对比之下,主动减缓方法能使振动得到快速衰减。在此基础上,借鉴反馈控制思想改进了传动链结构,使之能提前实现功率分流而降低载荷波动。
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