摘要
课题来源于重庆市技术创新与应用示范专项产业类重点研发项目“紧凑型大功率风电齿轮箱开发及产业化(cstc2018jszx-cyzdx0053)”和重庆市重点产业共性关键技术创新专项项目“高性能齿轮制造流程性能调控研发及应用(cstc2019jscx-mbdxX0006)”。 风能的开发利用是国家能源发展战略的重要支撑，风力发电是推动可再生能源产业升级、能源结构调整的关键措施。风电齿轮箱是风电机组传动链的核心部件，风电机组的海上大兆瓦发展方向对齿轮箱承载能力、动态特性以及可靠性提出了更高要求。高速型风机传动链齿轮箱具有多级传动、多点啮合、多支撑点以及刚柔耦合等特征，更大的叶片尺寸、更复杂的输入载荷以及外部环境的影响势必对齿轮箱动态可靠性带来更大挑战。风电大模数渗碳齿轮失效机理复杂、失效形式多样，现有可靠性分析方法对点蚀、弯曲断齿以及齿轮内部疲劳断裂等多种失效形式并存的复杂疲劳失效机理认识不足。本文面向8～16MW风机紧凑型传动链齿轮箱研制需求，从齿轮箱传动构型开发、动力学建模、动态特性分析以及可靠性分析与优化等方面开展研究。提出一种行星架悬臂式三级行星加一级平行轴系齿轮箱传动构型，基于齿轮箱刚柔耦合动力学模型分析10MW风电齿轮箱传动系统动态性能，综合考虑材料强度退化、应力—强度模糊干涉、不同失效形式及多级传动耦合影响建立传动系统动态可靠性分析模型，结合风场运行失效样本统计数据对可靠性模型进行对比验证，形成风电齿轮箱传动系统动态可靠性优化方法，研制10MW齿轮箱样机，通过全功率试验台开展风电齿轮箱性能测试分析。研究结果对支撑大兆瓦高扭矩密度风电齿轮箱开发与工程化应用具有重要意义，论文主要内容如下: ①提出行星架悬臂式的三级行星加一级平行轴系传动构型，结合有限元法与固定界面模态综合法建立风电齿轮箱传动系统动力学模型，研究了多级耦合风电齿轮箱传动系统固有振型和受迫振动响应，采用蒙特卡罗方法研究了轴承游隙偏差、销轴孔位置度偏差及花键侧隙偏差等因素对10MW多行星耦合系统均载特性的影响。 ②综合考虑材料强度退化、应力—强度模糊干涉、不同失效形式及多级传动耦合效应影响，结合Copula函数相关函数建立风电传动系统动态可靠性分析模型。研究10MW风电齿轮箱传统系统各级齿轮的接触疲劳可靠度、弯曲疲劳可靠度、内部疲劳断裂可靠度及系统耦合可靠度。通过对比并网运行的风电齿轮箱失效数据，验证了传动系统可靠性模型的有效性。 ③ 以齿轮修形参数为核心控制变量构建了传动系统动态可靠性优化模型，结合精英遗传算法实现10MW风电齿轮箱传动系统可靠性优化设计。通过分析齿轮修形参数对传动误差峰峰值、齿面接触应力、齿根载荷比影响规律，得到齿轮修形最佳适配参数。 ④完成10MW风电齿轮箱样机研制，通过机加工和热处理对齿轮硬度梯度进行主动调控，对影响齿轮抗疲劳性能的微观组织结构、残余应力等核心参数进行检测。基于13.6MW全功率电封闭试验台开展10MW风电齿轮箱振动响应测试分析，并对25％、50％、75％、100％额定扭矩四种典型工况下的均载特性与齿轮啮合斑点测试。
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