（机械设计及理论专业论文）15mw风电增速箱高速级齿轮动态特性研究.pdf

一螂嬲 一 。二：”i d - j ， 论文题目：1 s m w 风电增速箱高速级齿轮动态特性研究 学科专业：机械设计及理论 研究生：孟培嫒 指导教师：刘凯教授 马朝锋讲师 摘要 签名： 签名： 签名： 人口的日益增长以及对自然资源的需求促进了风电产业的迅猛发展，并且随着风力发 电机组功率的不断提高，对风机中齿轮箱的可靠性和稳定性都提出了更高的要求；同时为 了发展自主知识产权，提高国产齿轮箱的性能，减小振动降低噪音，这就需要对影响齿轮 副动态特性的因素进行深入的研究探讨，进一步完善理论为下一步实践服务。本文以 1 5 m w 风电增速箱高速级齿轮副为研究对象，对影响此斜齿轮副动态特性的若干因素、 修形以及摩擦进行了探讨。 首先，本文建立了斜齿轮副多自由度耦合振动模型，对系统的固有频率进行分析，通 过数值法对多自由度系统的振动状况进行求解，得到了斜齿轮副系统主动轮和从动轮的径 向、轴向和扭转自由振动状况。结果表明，齿轮扭转振动为齿轮副振动的主要方面，是其 它振动的根源，也是主要的研究对象。 其次，根据斜齿轮与直齿轮的结构差异，借助“石川法”求直齿轮时变刚度的算法， 推导出斜齿轮时变刚度的一种简化算法。建立含有非线性因素的斜齿轮副“弯一扭一轴 振动模型，分析时变刚度、间隙非线性激励因素对振动的影响，并对齿轮副的冲击状态进 行研究。对轻载和重载的状况下的动态特性进行了对比。结果表明，时变刚度、间隙、阻 尼等非线性因素对齿轮振动的影响不可忽略，对这些非线性因素的研究将改善齿轮副运转 的动态特性。 再次，为改善本文研究齿轮副的动态特性，对齿廓修形和齿向修形分别进行了理论分 析，对模型采用了鼓型修形和齿顶修缘，通过理论计算确定了最佳修形曲线、修形量等参 数，并利用有限元软件对齿廓修形理论加以验证。结果表明：理论分析和有限元分析同时 证明合理的修形可以降低齿轮的振动，从而减小噪声，获得更高的效率。 最后，在考虑摩擦力的状况下对轮齿间的滑动状态和受力状态进行了理论分析，得出 了摩擦力对齿轮副接触状况的影响，并借助有限元软件在齿面间设计不同的摩擦系数，考 虑摩擦力对接触应力和应变的影响。结果表明，随着摩擦系数的增大，齿面接触应力和接 触摩擦都会随之增大，对系统产生不利影响；同时指出传统的赫兹理论求解接触应力忽略 了摩擦力的影响，所获得的接触应力小于实际值，因此在校核时应采用较大的安全系数， 西安理工大学硕士学位论文 或在传统的公式中添加摩擦因素。 关键词：斜齿轮；振动；修形；有限元 本研究得到“陕西省1 3 1 1 5 科技创新工程重大科技专项项目“兆瓦级风力发电机组传 动系统的研制”( 2 0 0 8 z dk g 2 8 ) ”资助。 i i t i t i e ：t h ea n a l y s i so fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - s p e e ds t a g e g e a ro n1 5 m ww i n d t u r b i n eg e a r b o x m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g n a n dt h e o r y n a m e ：m e n gp e i y u a n s u p e r v i s o r ：p r o f l i uk a i l e c t m ac h a o f e n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： t h ei n c r e a s e so ft h ep o p u l a t i o na n d t h ew o r l d sh u n g e rf o rn a t u r a lr e s o u r c e sa r ep r o m o t i n g t h ed e v e l o p m e n to ft h e 枷p o w e ri n d u s t r y a n da l o n gw i t ht h ea u g m e n t o f t h ew i n dt u r b l n e g e n e r a t o ru n i t ，sp o w e r ，t h ed e c r e a s eo f t h en o i s ea n dt h es t a b i l i t yo f 慨g e 曲o x a r em o r ea i l d m o r ei m p o r t 狃t i no r d e rt od e v e l o po u ro w n i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t so v e rk e yt e e l m o l o g i e s a n di m p r o v ed o m e s t i cg e a r b o x sp e r f o r m a n c e ， r e s e a r c ho nd y n a m i cc h a r a c t e n s t l c so 士妣 g e a r b o xi sv e r yn e c e s s a r y t h i sp a p e rt a k e st h eh i g h - s p e e dg e a rp a i ro f t h es p e e d1 n c r e a s e rm 1 5 m ww i n dp o w e rs y s t e ma sa 1 1e x a m p l e ，d i s c u s s e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t o o t hs h a p e m o d i f i c a t i o na n df r i c t i o ni nt h eg e a rp a i r ， f i r s t ，am o d e lo ft h em u l t i d i m e n s i o n a l c o u p l e dv i b r a t i o ns y s t e m i sb u i l t r h r o u g n a n a l v z i n gt h ev i b r a t i o na n d n a t u r a lf r e q u e n c yo ft h es y s t e m ，w ec a nr e s p e c t i v e l yg e t t h ed a t ao f i t sr a d i a l ，a x i a la n dt o r s i o nv i b r a t i o n s t h er e s u l t ss h o w t h a tt o r s i o nv i b r a t i o ni st h em a 3 0 rp a r t i nt h i ss y s t e m i ti st h em a j o ra n ds i g n i f i c a n tr e s e a r c ho b j e c t ， t h e nc o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r ed i f f e r e n c e sb e t w e e ns p u rg e a ra n d h e l i c a lg e a r ，as l m p l l 士l e d c a j c u l a t i o nm e t h o do ft h eh e l i c a lg e a r st i m e - v a r y i n gs t i f f n e s sb y u s i n gi s h i k a w ai sp u tf o r v 唿斑 t h ea r t i c l eb u i l d sab e n d i n g - t o r s i o n s h a f tc o u p l i n ga n a l y s i s m o d e lo fh e l i c 址g e a rw h l c n c o n t a i n sn o n l i n e a rf a c t o r s ，s t u d i e st h ei n f l u e n c e so nt h es y s t e mo fn o n l i n e a r f a c t o r ss u c ha s t i m e - v a r y i n gs t i 胝s s ，c l e a r a n c e ，g e a re r r o r sa n d d a m p i n g ，t h e nc o m p a r e s t h ed l f f e r e n td y n 舢c c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mu l 耐e rh e a v yl o a da n dl i g h t l o a d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e i n n u e n c e so nt h es y s t e mc a u s e db yt i m e v a r y i n gs t i f f n e s s ，c l e a r a n c e ，g e a re r r o r s ，d a m p i n g a n d o t h e rn o n l i n e a rf a c t o r sc 籼o tb en e g l e c t e d o p t i m i z i n g o ft h e s ef a c t o r sc a l l1 m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f t h eg e a rp m r 一 a n da l s o ，i n 。r d e rt 。i m p r o v et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 。ft h eg e a rp a i t , t h e m 。d e li s 锄e l i o r a t e d b yl o n g i t u d i n a lf l a n kc r 。w n i n ga n dt i p r e l i e f w ec a nf i n dt h eb e s tm 。d i f i c a t i 。n 西安理工大学硕士学位论文 c u r v ea n dq u a n t i t yt h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ，a n dc h e c kt h er e s u l t sb yf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e b o t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss h o wt h a ta p p r o p r i a t e t o o t hs h a p em o d i f i c a t i o nc a nn o to n l yr e d u c ev i b r a t i o na n dn o i s eb u ta l s oi n c r e a s et h es y s t e m e f f i c i e n c y a tl a s t ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n ta n df o r c ec o n d i t i o nw i t hd i f f e r e n t f r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h eg e a r - t o o t hb yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h er e s u l t ss h o w t l l a tb o t ht h es u r f a c ec o n t a c ts t r e s sa n dt h ef r i c t i o n a lf o r c ei n c r e a s ea l o n gw i t ht h ea u g m e n to f t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t t h e ni tp o i n t so u tt h a tt r a d i t i o n a lh e r t zt h e o r yu s u a l l yn e g l e c t sf r i c t i o n e f f e c tw h e ns o l v et h ec o n t a c ts t r e s sp r o b l e m sa n dt h er e s u l t sa r el e s st h a nt h er e a lv a l u e ，s ow e m u s tu s es l i g h t l yl a r g es a f e t yc o e f f i c i e n to ri n t r o d u c eaf a c t o ri nt h ef o r m u l a k e y w o r d s ：h e l i c a lg e a r ；v i b r a t i o n ；p r o f i l em o d i f i c a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t t h i sr e s e a r c hw a ss u p p o r t e db y ”t h ed e v e l o p m e n to fm w - c l a s sw i n dt u r b i n ed r i v i n g s y s t e m s ( 2 0 0 8 z dk g - 2 8 ) ”，w h i c hb e l o n g st o ”s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o np r o j e c t s i ns h a a n x ip r o v i n c e1 3 1 1 5 ” i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i l l 1 绪论。1 1 1 弓i 言1 1 2 风力发电机组国内外发展概述1 1 3 齿轮动态特性的研究概况2 1 3 1 齿轮系统动力学的研究目标2 1 _ 3 2 齿轮系统非线性动态特性研究的发展3 1 3 3 齿轮修型的发展5 1 4 本课题的来源，目的及研究内容6 1 4 1 本课题的来源6 1 4 2 选题的目的一6 1 5 本课题研究内容一6 2 齿轮系统振动分析模型8 2 1 引言8 2 2 齿轮系统建模方法8 2 3 分析模型建立9 2 3 1 增速箱的三维造型和传动简图9 2 3 2 定轴斜齿轮分析模型的建立。9 2 4 多自由度系统振动的分析1 3 2 4 1 模型中的参数计算1 3 2 4 2 模态参数分析1 3 2 ，4 3 耦合振动响应分析1 4 2 4 4 计算结果分析1 7 2 5 本章小结1 7 3 齿轮动态激励及非线性因素的动态分析1 8 3 1 引言1 8 3 2 齿轮啮合的动态激励的概况1 8 3 2 1 齿轮副的内部激励1 8 3 2 2 齿轮副的外部激励1 8 3 3 斜齿轮时变刚度的分析1 9 3 3 1 直齿轮轮齿啮合刚度的计算1 9 3 3 2 斜齿轮轮齿啮合刚度的计算2 1 3 5 斜齿轮系统间隙的确定2 5 3 4 齿轮误差2 6 3 6 考虑非线性因素的动态响应2 7 3 6 1 齿轮非线性振动模型2 7 3 6 1 时变刚度对振动的影响3 0 3 6 2 时变刚度和间隙对动态特性的影响3 2 3 7 参数对振动特性的影响3 5 3 7 1 重载与轻载对动态特性的影响3 5 西安理工大学硕士学位论文 3 7 2 阻尼对动态特性的影响3 7 3 8 本章小结3 8 4 齿轮修形与摩擦分析。3 9 4 1 引言一3 9 4 1 1 齿轮修形的意义3 9 4 1 2 齿轮修形方法3 9 4 1 3 基于计算机软件的修形应用3 9 4 2 齿向修形3 9 4 2 1 齿向载荷分布一3 9 4 2 2 齿向修形的主要方法4 0 4 2 3 鼓形修整4 1 4 3 齿廓修形4 4 4 3 1 齿廓修形的主要方法4 4 4 3 2 齿廓修形的模型一4 4 4 3 3 修缘量与修缘长度4 5 4 3 4 修缘曲线4 6 4 3 4 修形量对振动的影响4 7 4 - 3 5 修形长度对振动的影响4 7 4 3 6 修形参数对振动的影响4 8 4 4 齿廓修形的有限元分析4 9 4 4 1a n s y s 有限元软件接触分析基础5 0 4 4 2 斜齿轮有限元分析网格、约束和载荷一5 l 4 4 3 修形前后的应力与形变分析一5 2 4 5 摩擦对齿轮接触的影响5 4 4 5 1 考虑摩擦力的轮齿相对滑动状况5 4 4 5 2 考虑摩擦力的轮齿啮合受力状况5 6 4 5 3 考虑摩擦力的轮齿接触应力状况5 8 4 5 4 利用a n s y s 分析摩擦力对齿面接触应力的影响5 9 4 6 本章小结6 2 5 结论与展望6 3 5 1 本文的研究结论6 3 5 2 本文的工作展望6 4 致谢6 5 参考文献6 6 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 面对当今世界能源短缺、环境污染等问题的压力，开发可再生、无污染的新型能源， 以维持世界的可持续发展成为关注的热点。风能凭借其资源优势，以及开发较为成熟，利 用成本不高，破坏性小，适宜规模发展等特点，受到世界各国的普遍重视。据世界气象组 织认可，全球可利用的风能为1 0 7 m w ，相当于可利用水能源的1 0 倍【1 1 。同时它赋有很强 的商业化可行性，从而成为了可大力发展的绿色能源。风力发电已成为风能最好的利用形 式。 1 2 风力发电机组国内外发展概述 随着风电市场规模的迅速扩大，促进了风电设备制造业的迅猛发展，技术水平日益提 高。国际著名风电整机制造企业有丹麦的v e s t a s ，德国的西门子，西班牙的g a m e s a ，美 国的g e 等。丹麦的风机制造水平及制造能力均居世界前列，全球十大风机制造商中，丹 麦就有六家。另外德国、美国等国家也拥有较高风机制造能力和水平。国内风电产业的蓬 勃兴起，也刺激了我国风电设备制造业的高速发展。目前已有重庆大学、大连理工、沈阳 工业大学等高校和研究机构投入了对风力发电机组的研究，也涌现了像金风科技，华锐风 电、大连运达、惠腾风电、东方电气等一批风电机组生产厂家，在一定程度上实现了风机 的国产化。但同国外相比，我国的风电设备制造水平还比较落后，国外的主流机型已经达 到2 5 m w ，并且已开发出5 m w 样机。在欧盟第六框架研究计划( f p 6 ) 支持下，欧洲风 电界4 0 多个合作伙伴参加面向8 1 0 m w 单机容量的巨型陆上和近海风电机组的研发 ( u p w i n d 计划旨在探索未来风电技术) 。而国内目前能够批量生产的最大风电机组为 1 5 m w ，且产能不足，质量较差，我国7 0 的风电设备还是依靠引进，这也使得风电成 本居高不下，大批损坏的零部件得不到及时更换。“十一五”期间，在国家“8 6 3 计划” 和“十一五科技支撑计划”的资助下，我国提出容量更大的兆瓦级风力发电机组的开发课 题，但由于缺乏基础研究人才和经验积累，总体来说还处于自主研发能力不高、技术不成 熟阶段【2 j 。为了满足国内市场的需求，自主研制更大单机容量兆瓦级风电机组，提高机组 部件的性能和可靠性成为了一项紧迫的任务。 风机根据结构等分为很多种类，目前应用最多的是传统型水平轴风力机。传统型水平 轴风力机主要由以下几部分组成：风轮、增速箱、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、 调向器、停车制动器等。由于风轮所获得的转速低而发电机所需求的转速高，为匹配发电 机，要在风轮轴与发电机轴之间接一个增速箱，增速箱是传统并网风电机最重要的部件之 一，也是风电技术的核心。增速箱中齿轮传动系统是整个风力发电机组稳定运行的关键。 目前，主流的兆瓦级增速箱主要由级行星传动+ 两级定轴传动，或者两级行星传动等形 式构成。兆瓦级增速箱行星齿轮一般采用直齿传动，定轴齿轮部分采用斜齿传动，这样的 西安n r - 大学硕士学位论文 结构在一定程度上可以增强传动的平稳性，还可以减小增速箱的体积。 一般状况下风电机工作环境恶劣，常年经受无规律的变向变载荷的风力作用冲击以及 酷暑严寒极端温差的影响，加之增速箱安装在十几米高的塔架顶部狭小的机舱内，不可能 像地面那样具有牢固的机座基础，并且不便于维修和维护，这些都对风电增速箱的可靠性 和使用寿命提出了比一般机械高得多的要求。据统计风机的故障率由高至低依次为电子系 统、传感器、叶片、液力、控制系统、齿轮箱、偏航系统等。虽然齿轮箱的故障率相对较 低，但当其发生故障，就会致使风机整体停滞，无法继续工作，造成的损失严重 3 】。据世 界风力发电网数据，风电系统失效1 2 来自齿轮箱的失效，大约是工业齿轮箱平均失效 机率的两倍【4 j 。齿轮箱中包括齿轮、滚动轴承和轴三部分，因制造安装不良、操作维护不 善等诸多因素产生失效，在常见齿轮箱故障中齿轮的故障损伤排在第一位。当轴和轴承产 生故障时，会引起齿轮啮合状态的变化，严重时就会变为齿轮的失效【5 】。对于增速箱中的 行星轮系来说，最容易出现的齿轮失效形式为齿的局部折断、齿变形、齿面剥落和裂纹， 而定轴齿轮最容易出现的形式为齿的局部折断、齿变形、齿面剥落和疲劳折断，其中5 0 以上的齿轮失效故障属于局部折断、裂纹、以及齿的变形【6 】。 为了满足这种高速重载传动对齿轮传动机构提出的小振动，低噪音、长寿命，高可靠 性等实际要求，就必须深入研究齿轮系统的动力学特性，考虑时变啮合刚度、间隙、齿形 误差、轮齿修形、齿面摩擦等因素对其的影响，最终寻求合理手段优化齿轮系统动态特性。 1 3 齿轮动态特性的研究概况 1 3 1 齿轮系统动力学的研究目标 齿轮系统动力学的研究目标，是确定和评价齿轮系统动态特性，从而为设计高质量 的齿轮系统提供理论上的指导。 一般包括以下几方面内容【7 j ： ( 1 ) 固有特性 固有特性指频率和振型，是齿轮系统的基本动态特性之一，对系统的动态响应，动载 荷的产生和传递，以及系统振动的形式等均有重要意义。齿轮系统固有特性分析主要包括： 利用集中参数方法研究传动系统的固有频率和振型；利用有限元方法计算齿轮轮体和箱体 结构的固有频率和振型；利用敏度分析及动态优化设计方法研究系统结构参数和几何参数 与固有频率和振型的关系，进行结构动力修改，提高和改善系统的固有特性。 动态响应 在动态激励作用下齿轮系统的响应是齿轮系统动力学研究的重要内容。主要包括轮齿 动态啮合力和轮齿激励在系统中的传递以及传动系统中各零件和箱体结构的动态响应等， 研究轮齿的动态啮合力，可以了解系统动态因素产生的激励、大小和性质，确定轮齿的动 载荷和动载系数，对轮齿强度和可靠性设计具有重要意义。研究系统中动态激励的传递及 各零件的动态响应，目的在于通过系统的设计修改，减小动态激励的传递、降低系统各零 1 绪论 件的振动、减小支撑轴承的受载、提高寿命、降低噪声。 动力稳定性 齿轮系统是一种参数激励系统，与一般机械振动系统的重要区别在于它存在动力稳定 性问题。通过齿轮系统动力稳定性的分析，评价影响稳定性的因素，确定稳定区与非稳定 区，为齿轮系统的设计提供指导。 系统参数对齿轮系统动态特性的影响 研究系统的各种动态特性的关键是研究齿轮系统的结构形式、几何参数等对这些性能 的影响，特别是以系统动力学模型为基础，通过灵敏度分析定量了解各类参数的灵敏度， 在此基础上进行齿轮系统的动态优化设计。 解析法 数值法 实验法 时域法 频域法 求解方法 动载系数的计算方法 振动、噪声的评价与防治 状态监测与故障诊断 系统参数与动态性能的关系 载荷状况与动态设计 动态激励 ( 系统的输入) 系统模型 ( 系统的力学、数学描述) 动态响应 ( 系统的输入) 齿轮动力学 理论的应用 外部激内部激建模方法模型类型考虑的因 固有特动态响动力稳定 原动机的 扭矩 负载的反 作用力矩 时变啮合 刚度 齿轮传递 误差 啮入啮出 冲击 集中参数法 传递矩阵法 有限元法 动态子结构 综合法 齿轮副纯扭 模型 齿轮传动系 统模型 齿轮系统模 型 时变刚度 传递误差 齿侧间隙 齿面摩擦 支持弹性 与间隙 固有频率 固有振型 参数对固 有特性的 影响 动载荷 系统振动 和噪声 系统参数 的影响 稳定性指标 稳定性区域 稳定性性能 系统参数对 稳定性的 影响 图1 - 1 齿轮动态特性的研究体系 f i g 。1 - 1r e s e a r c hs y s t e mo fg e a rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 1 3 2 齿轮系统非线性动态特性研究的发展 随着现代制造技术的提高，材料科学的发展以及热处理技术的不断改进，齿轮传动正 向着高速、重载、高效、轻量化、高可靠性、长寿命的方向发展，这就使得齿轮传动机构 的振动与噪声问题变得更加突出。随着非线性理论的日益成熟，一些学者试着从非线性振 动理论出发，考虑轮齿间隙、轮齿的时变啮合刚度、润滑油膜等非线性因素，建立齿轮传 动机构的多体弹性动力学模型，从而在理论上对齿轮传动机构的振动和噪声问题进行一些 有益的探索，并受到广泛的关注。 在振动理论框架内，动力学模型经历了由线性振动理论到非线性振动理论，由定常系 西安理工大学硕士学位论文 统到时变系统的发展，模型有以下几种【7 】： 线性时不变模型( l i n e a rt i m e i n v a r i a n t ) 这是在线性振动理论的基础上建立起来 的一种模型，以平均刚度代替时变啮合刚度，并由此计算齿轮副的固定频率和振型。这个 过程不考虑由时变啮合刚度引起的参数激励问题，忽略多对齿轮副的相互关系及时变刚度 相互作用对系统动态特性的影响。 线性时变模型( l i n e a r t i m e v a r i a n t ) 在齿轮传动过程中，由于同时参与啮合的轮 齿数目和啮合位置发生变化，齿轮的啮合刚度是随时间周期变化的。同时，由于齿形误差 而带来了静态传递误差，这种模型是在第一种模型的基础上，引进了时变啮合刚度的影响 而建立起来的，由于出现了参数激励，因此，得到的微分方程比较复杂。这种模型没有考 虑齿侧间隙的因素。 非线性时不变模型( n o l i n e a rt i m e i n v a r i a n t ) 如前所述，在齿轮传动中，间隙是 必然存在的，当齿轮间隙较大、转速较高时，间隙的影响就比较突出了，这样线性时变模 型就不再适合描述这种齿轮系统，因此便产生了非线性动力学模型。由于非线性动力学行 为远比线性动力学行为复杂，与其对应的微分方程的求解比较困难，因此，大部分非线性 模型在考虑齿侧间隙时就忽略了啮合刚度的变化，采用定刚度模型。 ( d 非线性时变模型( n o n l i n e a rt i m e i n v a r i a n t ) 这种模型是在第三种模型基础上引入 了时变啮合刚度，把齿轮系统作为一种非线性的参数振动系统来加以研究。目前，由于数 学上的原因，还没有特别好的方法求解。 齿轮系统非线性的理论研究主要涉及两个方面：一是“振一冲 问题，因为具有齿侧 间隙的存在，将齿轮副在力学上简化为“振一冲”模型，由此首先对理想化的“振一冲 模型进行研究，其侧重点是探讨求解方法和分析动态特性等。二是研究齿轮系统，考虑仅 包含一对齿轮副的单自由度模型或包含多对齿轮副以及传动轴、支撑轴承等因素的多自由 度模型，并且与前一种模型的最大区别是考虑了啮合刚度的时变性。齿轮系统研究的重点 是模型的建立、激励形式的确定，求解方法的选择，系统动态特性及参数对动态特性的影 响。国内外的学者对齿轮动态特性的影响因素及改进方法做了大量的研究工作。 对齿轮系统动力学的全面研究始于上世纪中期，b u c k o n g h a m 8 j 首先踏入了这一领域。 1 9 6 7 年，n a k a m u r a 首次对含有间隙的齿轮系统的动态特性进行讨论。1 9 7 1 年，d u b o u s k y 等【9 】对具有间隙的机械系统进行了研究，提出了一个直线冲击副模型，用以解决一个质量 块受到间隙位移激励的动态响应求解，也就是所谓的“振一冲”模型。1 9 8 4 年，k u c n k a y 讨论了高速齿轮传动系统的间隙问题，涉及到齿轮啮合刚度的时变性，对时变啮合刚度激 励造成的动力稳定性问题进行了探讨。1 9 9 1 1 9 9 3 年，k a h r 锄a 1 1 【1 0 】 1 1 】【1 2 1 提出了一种包括 轴和轴承横向、扭转、轴向、摇摆振动的斜齿轮动力学模型，预测了系统的固有频率和模 态，同时确定了齿轮的静态传递误差，并且对此状况下齿轮和轴承的动态力进行了讨论。 文章还分析了斜齿轮螺旋角对动态力和力矩状况的影响。1 9 9 7 年，k a h r a m a n 和 b l a n k e n s h i p 1 3 】搭建了一个实验台，利用实验观察了很多非线性现象，通过改变物理参量 4 1 绪论 ( 施加力矩、转速等) 研究其对系统运动的影响。2 0 0 1 年，h o w a r d 和j i a 等【1 4 j 建立了1 6 个自由度的动力学方程，在考虑摩擦力的状况下分析非线性因素对系统的影响，在多种工 况下利用s i m u l i n k 仿真工具对其进行求解，为齿轮系统动态特性的分析开辟了新途径。 2 0 0 1 年，v 甄s h y a 和s i n g h ”】在考虑摩擦力的基础上建立了包含时变啮合刚度和粘性阻尼 的动力学模型，并采用分段思想进行精确积分求解用以消除模态截断带来的误差，最后利 用混沌理论讨论系统的稳定性。2 0 0 2 年，b a u d 和v e l e x 1 6 】建立了一个有限元模型模拟动 态齿轮转子系统，齿轮单元中包括非线性时变啮合刚度、齿轮误差和齿廓修形因素。在低 转速上将计算所得结果与实验进行比较证实了所建啮合模型的正确性。然后扩展到小齿轮 转速达到5 0 6 0 0 0 r p m ，通过实验和数值计算验证齿轮系统的动态特性。2 0 0 3 年，王建军， 李润芳等【1 7 】对齿轮系统的非线性动力学的数学建模和求解方法进行研究，逐步将不同的 非线性因素加入动力学模型，即分别只考虑时变刚度，又仅考虑轮齿间隙，再将两者同时 加入动力学方程分析它们对动态特性的影响。2 0 0 3 年，p a r e y 和t a n d o ni t 8 j 建立的带有典 型故障的模型，主要研究齿轮系统中摩擦、磨损、点蚀、剥落等现象，对于不同的工况这 种复杂模型响应求解的难度相当大，所以需要借助有限元分析软件对故障带来的影响进行 讨论。2 0 0 7 年，v e l e x 和a j m i 【1 9 】基于单自由度和多自由度模型，借助摄动法建立了近似 方程便于有效的计算出动态载荷，将斜齿轮齿轮的动态载荷与静态传递误差连接起来，通 过对比得出在利用静态方法分析动态载荷时多种不确定因素不能被忽略。2 0 0 7 年，陈思 雨，唐进元等【2 0 j 对齿轮动态特性的分析基于变形和离散参数，并且得到了位移、速度和啮 合力随时间变化的曲线，在广泛的速度、转矩工况下对齿轮载荷和传递误差进行计算，并 与实验结果进行对比，为分析和预测影响齿轮疲劳寿命提供了依据，并且有益于齿轮参数 化设计和动态冲击分析。2 0 0 9 年，v e l e x 和v i l l e 2 l j 在考虑直齿轮和斜齿轮摩擦功率损失 的基础上确定了轮齿的啮合偏移，从而解释了齿轮修形的影响。通过研究总结出预测摩擦 损失的方法，且适用于广泛转速，并通过数值模拟验证了此方法的可行性。 随着人类社会的发展和科学技术的进步，人们对机械设备的小振动、低噪音提出了越 来越高的要求，从而对齿轮传动系统也提出了更严格的要求。齿轮系统动力学的研究，即 从动态激励、系统设计、响应特性三方面全面研究齿轮系统产生的振动和噪声，是齿轮系 统动力学理论的主要应用领域之一。 1 3 3 齿轮修型的发展 渐开线圆柱齿轮传动是应用最早而且迄今应用最广的一种齿轮传动。随着齿轮转速的 升高、负荷的增大，轮齿的变形也越发的明显，再加上制造安装误差，就会在运转过程中 发生啮入啮出冲击、速度波动、振动等现象，从而降低了传动精度、缩短了寿命、降低了 承载能力、增大了噪声。为了提高渐开线圆柱齿轮的应用性，使其在高速重载的状况下获 得更好的性能，必须改进齿形。从二十世纪五十年代开始，各国都开始采用轮齿修型技术， 并且获得了明显的成效。 1 9 3 8 年，w a l k e r 2 2 第一次指出直齿轮齿向修形的重要性以来，国外学者做了大量的 西安理工大学硕士学位论文 工作来改进齿轮的承载能力和降低齿轮传动产生的噪音。2 0 0 6 年，r a y n a l d 等【2 3 】人对一系 列特定的齿轮系统进行了螺旋角修形、齿顶修缘和鼓型修形研究，并借助有限元研究轮齿 的弯曲变形和齿根圆角应力，得出结论螺旋角修形和齿顶修缘需要针对具体齿轮及工况进 行设计，否则会带来严重的过载现象。2 0 0 7 年，j i a n d ew a n g 和h o w a r d 2 4 1 通过与低重合 度直齿轮进行研究比较，得知在低传递误差状况下高重合度齿轮可以实现更为平稳的传 动，为了实现这一优势就必须提高制造误差和弹性变形的公差。在前人研究的基础上通过 现代数值方法和全面的分析可知，对于高重合度齿轮来说借助修形来提高系统性能是极具 潜力的。2 0 0 8 年，g a n gl i u 和r o b e r t 2 5 研究齿轮修形对多对齿啮合齿轮振动的影响，此 非线性分析模型不仅考虑了每个轮齿上的动态载荷分布状况，同时讨论了时变刚度、齿轮 修形以及接触损失的影响，并对不同载荷、修形、轴承刚度状况下的结果进行了对比，最 终优化修形长度和修形量。2 0 0 9 年，尚振国和王华【2 6 】建立了一个宽斜齿轮传动整体模型， 借助于有限元分析软件对修形的宽斜齿轮进行了轮齿接触分析，讨论修形参数对齿轮应力 及载荷分布的影响。 多年来国内外的学者在齿轮修形上取得了大量的研究成果，但面对现代高速、重载、 超大功率的齿轮传动系统来说，依然存在许多需要攻克的难题，需要更多的人投入更多的 精力来解决。 1 4 本课题的来源，目的及研究内容 1 4 1 本课题的来源 本课题来源于“陕西省自然科学基金( 2 2 0 7 e 2 2 8 ) ”和“陕西省1 3 1 1 5 科技创新工程重 大科技专项项目2 0 0 8 z dk g 2 8 ” 1 4 2 选题的目的 建立风电增速箱高速级齿轮传动系统的动力学模型，并求解响应。依据轮系结构几何 参数对动力学特性的影响，定量分析各个参数的敏感程度。在此基础上对风电增速齿轮系 统进行动态优化设计，并总结其设计制造检验参数的具体方法，为风电增速齿轮箱的设计 提供理论依据。 1 5 本课题研究内容 增速箱定轴传动系统建模 针对1 5 m w 的风电增速齿轮箱的高速级齿轮系统，计算运动学和动力学参数，建立 动力学模型，给出全面的动力学参数方程。 多自由度系统固有特性分析 对多自由度齿轮系统固有特性进行分析，研究自由振动响应状况，分析齿轮副轴向、 径向以及扭转振动的规律。 非线性动态特性分析 6 1 绪论 建立含有非线性因素和参数激励的多自由度动力学模型，讨论轮齿轮时变刚度、间隙、 阻尼等因素对振动的影响。 ( d 修形研究 通过理论分析对轮齿进行修形，确定合理的修形曲线、修形量以及修形长度，用以