多平行軸斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合振動(dòng)分析與計(jì)算

將傳悅，高玉峰

(吉林石化公司動(dòng)力一廠，吉林 吉林 132000)

多平行軸斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合振動(dòng)分析與計(jì)算

將傳悅，高玉峰

(吉林石化公司動(dòng)力一廠，吉林 吉林 132000)

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性提出了很高的要求，為了降低由于振動(dòng)導(dǎo)致的齒輪箱故障，提高機(jī)組工作的可靠性，需要探求降低齒輪箱故障的有效途徑。文章以齒輪轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)為理論依據(jù)，以改變齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率為目的，結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高速傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)例，運(yùn)用有限元方法，模擬齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在耦合與非耦合情況下的動(dòng)態(tài)振動(dòng)過程，計(jì)算系統(tǒng)的各階模態(tài)值；研究改變系統(tǒng)元件的幾何參數(shù)對(duì)系統(tǒng)固有頻率的影響；提出改變系統(tǒng)固有頻率避免共振的有效途徑，并以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的兩級(jí)平行軸齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)來驗(yàn)證方法的可行性。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；齒輪箱；振動(dòng)

1 概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)多采用一級(jí)行星傳動(dòng)和二級(jí)平行斜齒傳動(dòng)的混合傳動(dòng)，齒輪箱故障集中體現(xiàn)在斜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，在此，對(duì)二級(jí)斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究。文章在兩平行軸斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)某風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱二級(jí)斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，研究系統(tǒng)耦合與非耦合情況下的動(dòng)力學(xué)特性，并檢驗(yàn)齒寬減小對(duì)系統(tǒng)固有頻率的影響。以某風(fēng)力機(jī)二級(jí)斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

材料屬性為：楊氏彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，材料密度ρ=7.8×103kg/m3。

2 多平行軸斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合振動(dòng)分析與計(jì)算

（1）二級(jí)平行軸斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型的建立。對(duì)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格和施加約束條件，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 二級(jí)平行軸斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖2 二級(jí)平行軸斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)加載結(jié)果

（2）二級(jí)斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合情況下的模態(tài)解。二級(jí)斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合后的模型如圖3所示。耦合后系統(tǒng)產(chǎn)生一些新頻率，1階耦合產(chǎn)生的新頻率：高速軸的主振動(dòng)是轉(zhuǎn)動(dòng)，低速系統(tǒng)的主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪的主振動(dòng)是轉(zhuǎn)動(dòng)；2階耦合產(chǎn)生的新頻率：低速系統(tǒng)主、被動(dòng)齒輪的主振動(dòng)是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，低速軸的主振動(dòng)是轉(zhuǎn)動(dòng)；6階耦合產(chǎn)生的新頻率：高速主動(dòng)輪的主振動(dòng)是彎扭振動(dòng)；8階耦合產(chǎn)生的新頻率：高速系統(tǒng)小齒輪軸的主振動(dòng)是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，主動(dòng)大齒輪的主振動(dòng)是彎曲振動(dòng)；14階耦合產(chǎn)生的新頻率：高速系統(tǒng)小齒輪軸的主振動(dòng)是彎扭振動(dòng)，主動(dòng)大齒輪的主振動(dòng)是彎扭振動(dòng)；15階耦合產(chǎn)生的新頻率：高速系統(tǒng)小齒輪軸的主振動(dòng)是彎扭振動(dòng)，主動(dòng)大齒輪的主振動(dòng)是周向?qū)φ壅駝?dòng)。

圖3 二級(jí)斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合后的模型

（3）非耦合情況和耦合情況下計(jì)算頻率的比較和分析。通過對(duì)二級(jí)平行軸斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合與非耦合情況的固有振動(dòng)特性的計(jì)算與分析，得出如下結(jié)論：①耦合情況下的計(jì)算結(jié)果與非耦合情況下的計(jì)算結(jié)果比較可知，耦合情況下，系統(tǒng)有新的頻率產(chǎn)生。這是由于耦合系統(tǒng)和非耦合系統(tǒng)的不同，因而會(huì)產(chǎn)生新頻率。②新產(chǎn)生的頻率，其振動(dòng)形態(tài)較為復(fù)雜，由每個(gè)軸各自的振動(dòng)組合而成。③有些頻率在耦合后略有變化，這是因?yàn)樵隈詈系南到y(tǒng)中，主振動(dòng)仍是耦合前的振動(dòng)，只是因?yàn)橄到y(tǒng)的耦合，這些振動(dòng)受到影響。④耦合對(duì)系統(tǒng)低頻影響較大，而對(duì)高階頻率的影響相對(duì)較小。

（4）齒寬變化對(duì)系統(tǒng)固有頻率的影響。在原有參數(shù)及模型的基礎(chǔ)上，改變斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)齒寬大小，將小齒輪的齒寬變?yōu)?0mm，大齒輪的齒寬變?yōu)?5mm，其它參數(shù)保持不變，計(jì)算耦合系統(tǒng)的固有頻率，對(duì)比結(jié)果如圖4所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改變齒寬對(duì)系統(tǒng)的低階固有頻率影響顯著，通過減小齒寬來改變系統(tǒng)固有頻率的方法是可行的。

圖4 齒寬減小對(duì)系統(tǒng)的固有頻率的影響

3 結(jié)語

耦合系統(tǒng)的主振動(dòng)多發(fā)生在高速傳動(dòng)系統(tǒng)，而且對(duì)于直徑較大，寬度較小即寬徑比小的圓板型齒輪，齒輪的傘振和板振對(duì)系統(tǒng)的影響是不容忽視的，這也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱高速端頻繁出現(xiàn)故障的原因之一；大齒輪耦合產(chǎn)生的振動(dòng)通過嚙合傳遞給小齒輪，小齒輪的工作轉(zhuǎn)速很高，如果受到內(nèi)外激勵(lì)的沖擊作用，很容易造成材料的破壞，因而斷齒多發(fā)生在傳動(dòng)系統(tǒng)的高速小齒輪部位。運(yùn)用“減小齒寬對(duì)系統(tǒng)固有頻率的改變比較顯著”的原理來驗(yàn)證齒寬減小對(duì)二級(jí)斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率的影響，減小齒寬對(duì)改變系統(tǒng)固有頻率的方法是顯著的。

Analysis and Calculation on Couple Vibration of M ulti-stage Geared Rotor System

JIANG Chuan-yue，GAO Yu-feng
（No.1 Power Plant of Jilin Petrochemical Company，Jilin，Jilin 132000，China）

The rapid developmentof thewind power industrymakesahigher request for the stability and efficiency ofawind turbinegearboxoperation.In order to reduce faultsin thegearbox caused by thevibration and improve theworking reliabilityofthe unit，itisnecessary toexplore theeffectivewaysto reduce thegearbox faults.Thearticle，taking thedynamic ofgear-rotorsystem as the theoreticalbasis，aimingatchanging thenatural frequency of thegeared rotorsystem，calculates themodalvalueof the system by adopting the finite elementmethod，simulates the dynamic vibration of the geared rotorsystem underboth coupling and noncoupling condition.Italso studies the influence exerted by the change in the geometric parameters of system componentson the natural frequency of the system and puts forward the effective ways to change the natural frequency of the system to avoid resonance，soastoverify the feasibilityofthemethod through the two-stagegeared rotorsystem oftwowind turbines.

wind turbine；gearbox；vibration

TH132.41

A

2095-980X(2016)08-0043-02

2016-07-14

將傳悅（1986-），男，工程師，主要研究方向：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與技術(shù)專業(yè)研究。