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大型風電齒輪傳動系統動態設計理論與方法 版權信息
- ISBN：9787111724414
- 條形碼：9787111724414 ; 978-7-111-72441-4
- 裝幀：平裝-膠訂
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
大型風電齒輪傳動系統動態設計理論與方法 本書特色
黨的二十大報告提出“積極穩妥推進碳達峰碳中和”。碳達峰碳中和將是我國未來社會發展的主要戰略。能源結構正由“煤炭為主”向“多元化協同”轉變，能源發展驅動正由“高速增長”向“高質量增長”、由“傳統能源增長”向“新能源增長”轉變。風能作為一種經濟、綠色、可再生的清潔能源，在我國能源轉型中的作用日益顯著。目前，海上大功率風電已成為全球近幾年的風力發電裝機主要增長點，尤其是歐洲海上風電正引領著全球風電的發展方向。根據歐洲風能協會發布《2017年歐洲海上風電裝機統計數據及發展趨勢》報告顯示：2017年，歐洲海上風電新增裝機容量達到了創紀錄的3.148GW，增長率為25%。全球風機大型化趨勢確立，6MW 以上機型占據海上風電主導地位，8-10MW 研發和問世速度加快，產業競爭格局已經顛覆；海外陸上風電已經全面進入 4-6MW 級別，國內三北地區也逐步過渡到 3-4MW 機型。領先于大機型研發的維斯塔斯、西門子、GE、明陽智能、東方電氣等企業市場份額快速上升。統計數據表明，我國海上風電取得突破進展。總體來說，國內風力發電機組單機容量整體上繼續向大型化趨勢發展。
國內海上風電發展較晚，但發展迅速，海上風電5 MW及以上大型風電機組已正式運營，主要開發單位有海裝、明陽、金風、湘電、東汽等幾家。其中海裝和東汽是雙饋路線，明陽是半直驅，金風和湘電是直驅。隨著海上風電技術的成熟，中國海上風電5 MW及以上機型將是主流產品。緊湊型風電齒輪箱結構與傳統型風電齒輪箱差異較大，且包含部分整機設計內容，如風機主軸承、主軸承與輪轂連接、齒輪箱和電機連接等。半直驅緊湊型風力發電機成本優勢的逐漸顯露，已成為主要發展方向。而風電齒輪箱作為風電機組關鍵核心部件之一，由于研制及產業化相對于風電整機門檻更高，大型海上風電齒輪箱要求壽命≥25年，效率≥98%，工作環境溫度-35℃～ 50℃，并且需滿足海上鹽霧工作環境。
國外5MW及以上風電齒輪箱發展較早較快。國外5MW及以上大型風電齒輪箱制造商主要有ZF、Winergy等公司。ZF為MIH VESTAS 研發8-9.5MW風電齒輪箱并實現小批量應用，采用了齒輪箱與發電機集成設計構型。Winergy公司半直驅齒輪箱PZFG2456、PZFG2535采用兩級行星結構一體化緊湊結構，即將齒輪箱與發電機一體化設計，將兩級行星齒輪箱與永磁電機直接相連接，大約減少傳動鏈長度35%。2016年，Adwen和Winergy宣布研制出一種適用于Adwen的AD8-180海上風機的齒輪箱，該齒輪箱輸入轉矩接近10000 kNm，重約86噸。國外風電齒輪箱核心制造商有：ZF、Winegy、Moventas等，單機容量已達12 MW并已掛機運行。國內能夠真正自主研制大型風電齒輪箱的企業屈指可數，主要有南高齒、重齒、太原重工、南方宇航等幾家。
增速型風力發電機組傳動鏈主要技術路線方向為齒輪箱與發電機集成一體化設計，并向著大型化方向發展，對其關鍵核心部件—增速齒輪箱提出了“高可靠、高效率、高功率密度、低振動噪聲、復雜工況適應性”的需求。系統機電集成設計技術、動態設計與減振降噪技術、關鍵零部件抗疲勞制造與裝配技術、密封及潤滑技術、大型風電齒輪箱工業性驗證平臺研制技術，以及在線遠程監測、加速疲勞壽命試驗方法和綜合性能評價技術等，這些技術難題曾一度成為困擾國內齒輪箱制造企業的技術瓶頸與難題。黨的二十大報告提出“積極穩妥推進碳達峰碳中和”。碳達峰碳中和將是我國未來社會發展的主要戰略。能源結構正由“煤炭為主”向“多元化協同”轉變，能源發展驅動正由“高速增長”向“高質量增長”、由“傳統能源增長”向“新能源增長”轉變。風能作為一種經濟、綠色、可再生的清潔能源，在我國能源轉型中的作用日益顯著。目前，海上大功率風電已成為全球近幾年的風力發電裝機主要增長點，尤其是歐洲海上風電正引領著全球風電的發展方向。根據歐洲風能協會發布《2017年歐洲海上風電裝機統計數據及發展趨勢》報告顯示：2017年，歐洲海上風電新增裝機容量達到了創紀錄的3.148GW，增長率為25%。全球風機大型化趨勢確立，6MW 以上機型占據海上風電主導地位，8-10MW 研發和問世速度加快，產業競爭格局已經顛覆；海外陸上風電已經全面進入 4-6MW 級別，國內三北地區也逐步過渡到 3-4MW 機型。領先于大機型研發的維斯塔斯、西門子、GE、明陽智能、東方電氣等企業市場份額快速上升。統計數據表明，我國海上風電取得突破進展。總體來說，國內風力發電機組單機容量整體上繼續向大型化趨勢發展。
國內海上風電發展較晚，但發展迅速，海上風電5 MW及以上大型風電機組已正式運營，主要開發單位有海裝、明陽、金風、湘電、東汽等幾家。其中海裝和東汽是雙饋路線，明陽是半直驅，金風和湘電是直驅。隨著海上風電技術的成熟，中國海上風電5 MW及以上機型將是主流產品。緊湊型風電齒輪箱結構與傳統型風電齒輪箱差異較大，且包含部分整機設計內容，如風機主軸承、主軸承與輪轂連接、齒輪箱和電機連接等。半直驅緊湊型風力發電機成本優勢的逐漸顯露，已成為主要發展方向。而風電齒輪箱作為風電機組關鍵核心部件之一，由于研制及產業化相對于風電整機門檻更高，大型海上風電齒輪箱要求壽命≥25年，效率≥98%，工作環境溫度-35℃～ 50℃，并且需滿足海上鹽霧工作環境。
國外5MW及以上風電齒輪箱發展較早較快。國外5MW及以上大型風電齒輪箱制造商主要有ZF、Winergy等公司。ZF為MIH VESTAS 研發8-9.5MW風電齒輪箱并實現小批量應用，采用了齒輪箱與發電機集成設計構型。Winergy公司半直驅齒輪箱PZFG2456、PZFG2535采用兩級行星結構一體化緊湊結構，即將齒輪箱與發電機一體化設計，將兩級行星齒輪箱與永磁電機直接相連接，大約減少傳動鏈長度35%。2016年，Adwen和Winergy宣布研制出一種適用于Adwen的AD8-180海上風機的齒輪箱，該齒輪箱輸入轉矩接近10000 kNm，重約86噸。國外風電齒輪箱核心制造商有：ZF、Winegy、Moventas等，單機容量已達12 MW并已掛機運行。國內能夠真正自主研制大型風電齒輪箱的企業屈指可數，主要有南高齒、重齒、太原重工、南方宇航等幾家。
增速型風力發電機組傳動鏈主要技術路線方向為齒輪箱與發電機集成一體化設計，并向著大型化方向發展，對其關鍵核心部件—增速齒輪箱提出了“高可靠、高效率、高功率密度、低振動噪聲、復雜工況適應性”的需求。系統機電集成設計技術、動態設計與減振降噪技術、關鍵零部件抗疲勞制造與裝配技術、密封及潤滑技術、大型風電齒輪箱工業性驗證平臺研制技術，以及在線遠程監測、加速疲勞壽命試驗方法和綜合性能評價技術等，這些技術難題曾一度成為困擾國內齒輪箱制造企業的技術瓶頸與難題。
本書針對大型風電齒輪傳動系統設計與運維中的技術問題，主要涉及大型風電齒輪箱高功率密度設計理論與方法、大型風電齒輪傳動系統齒輪齒面修形技術、大型風電齒輪箱振動與噪聲控制技術、大型風電傳動鏈多柔體動力學設計及共振規避方法、大型風電齒輪箱行星輪系動態均載設計與測試技術、大型風電齒輪傳動系統時變可靠性評估與設計方法、大型風電齒輪箱結構件疲勞強度工程分析方法、大型風電齒輪傳動系統運行狀態監測與故障診斷等方面進行了詳細的闡述。
在目前市場上同類書里，本書是部全面介紹大型風電齒輪傳動系統動態設計理論與方法的著作，目前尚未有同類型的著作或相關資料。本書可作為從事大型風力發電齒輪傳動系統研發參考，也可以作為從事齒輪傳動核心基礎件設計制造的學生，以及從事本專業的科研人員與企業工程技術人員參考。
大型風電齒輪傳動系統動態設計理論與方法 內容簡介
本書結合作者多年的科研成果，系統、全面地介紹了大型風電齒輪傳動系統高功率密度設計、齒輪齒面修形、振動噪聲控制、動力學設計、時變可靠性設計等動態設計理論與方法的近期新研究成果。本書主要內容包括：風力發電的基本原理和發展簡史、風力發電齒輪傳動系統的研究現狀與發展趨勢、大型風電齒輪箱高功率密度設計理論與方法、齒輪齒面修形技術、振動與噪聲控制技術、大型風電傳動鏈多柔體動力學設計及共振規避方法、大型風電齒輪箱行星輪系動態均載技術、時變可靠性評估與設計方法、結構件疲勞強度工程分析方法，以及系統運行狀態監測與故障診斷方法。本書可作為大型風力發電齒輪傳動系統研發人員的參考用書，也可作為其他行業齒輪傳動核心基礎件設計與制造相關專業的碩士研究生、博士研究生，以及科研人員與企業工程技術人員的參考用書。
大型風電齒輪傳動系統動態設計理論與方法 目錄
目錄
前 言
第1章 緒論1
1.1 概述1
1.2 風力發電的基本原理與分類2
1.2.1 風力發電的基本原理2
1.2.2 風力發電的分類3
1.3 風力發電發展簡史7
1.4 風力發電齒輪傳動系統的分類與特點10
1.5 風力發電齒輪傳動系統研究現狀15
1.5.1 風力發電齒輪傳動系統優化設計15
1.5.2 風力發電齒輪傳動系統動力學模型與動態特性16
1.5.3 風力發電齒輪傳動系統故障類型與評價監測19
1.6 風電齒輪傳動系統發展趨勢22
1.6.1 單機容量向大型化發展22
1.6.2 大型風電增速齒輪箱研制中的主要技術難題23
1.7 本書主要內容24
第2章 大型風電齒輪箱高功率密度設計理論與方法26
2.1 概述26
2.2 輕量化設計與高功率密度設計的區別與聯系26
2.3 大型風電增速齒輪箱創新傳動構型28
2.3.1 不同類型的傳動構型28
2.3.2 NGW型行星輪系方案30
2.3.3 NW型行星輪系方案31
2.3.4 柔性銷軸 功率分流行星齒輪傳動構型33
2.3.5 機電集成式緊湊型傳動構型35
2.3.6 無外圈軸承的行星輪系方案38
2.4 以減振減重為目標的系統宏觀參數集成優化設計38
2.4.1 多目標優化設計39
2.4.2 多目標靜態優化設計40
2.4.3 多目標動態優化設計46
2.4.4 傳動系統多目標動態優化模型46
2.4.5 載荷系數48
2.4.6 動態優化設計結果與分析48
2.5 以高承載為目標的齒輪副全齒面拓撲修形52
2.6 以輕量化/高承載為目標的結構優化53
2.7 齒輪齒面改性與強化技術58
2.8 高強度與輕量化材料及其應用59
2.9 本章小結61
第3章 大型風電齒輪傳動系統齒輪齒面修形技術62
3.1 概述62
3.2 不同類型的齒輪齒面修形方式62
3.2.1 齒廓修形63
3.2.2 齒向修形67
3.2.3 曲面修形70
3.3 修形斜齒輪嚙合剛度與誤差非線性耦合解析模型及其參數影響72
3.3.1 斜齒輪接觸線長度與接觸位置72
3.3.2 基于切片法的斜齒輪嚙合剛度計算原理74
3.3.3 修形斜齒輪嚙合剛度與誤差非線性耦合解析模型78
3.3.4 斜齒輪單齒嚙合剛度變化規律81
3.3.5 修形參數對斜齒輪綜合嚙合剛度和傳動誤差的影響82
3.4 應用案例85
3.4.1 齒面修形對齒輪嚙合接觸狀態的影響85
3.4.2 齒面修形對齒向載荷分布系數的影響88
3.4.3 齒面修形對承載能力的影響92
3.4.4 齒面修形對振動噪聲的影響93
3.5 修形效果評價94
3.6 本章小結95
第4章 大型風電齒輪箱振動與噪聲控制技術96
4.1 概述96
4.2 風電齒輪箱動態激勵96
4.2.1 考慮隨機風載的風電增速齒輪箱外部動態激勵96
4.2.2 風電增速齒輪箱內部動態激勵100
4.3 風電齒輪箱動力學性能分析111
4.3.1 風電增速齒輪箱模態分析111
4.3.2 振動響應分析113
4.4 風電齒輪箱輻射噪聲分析115
4.4.1 聲學基礎115
4.4.2 風電增速齒輪箱聲學特性分析116
4.5 風電齒輪箱振動噪聲測試118
4.5.1 風電增速齒輪箱振動測試分析119
4.5.2 風電增速齒輪箱輻射噪聲測試分析121
4.6 風電齒輪箱振動與噪聲控制技術122
4.6.1 設計及加工122
4.6.2 輪齒修形126
4.6.3 結構優化132
4.6.4 相位調諧133
4.6.5 均載機構141
4.7 本章小結141
第5章 大型風電傳動鏈多柔體動力學設計及共振
規避方法142
5.1 概述142
5.2 動力學建模方法及模型142
5.2.1 子結構模態綜合法142
5.2.2 子結構有限元模型145
5.2.3 柔性多點約束的建立147
5.2.4 多柔體動力學理論151
5.2.5 模型實例153
5.3 大型風機傳動鏈多柔體系統動力學分析156
5.3.1 時域與頻域分析方法156
5.3.2 算例與分析158
5.4 大型風機傳動鏈共振點甄別166
5.4.1 頻率篩選原則166
5.4.2 阻尼篩選原則167
5.4.3 能量篩選原則168
5.4.4 速度篩選原則170
5.4.5 系統坎貝爾圖172
5.4.6 掃頻時/頻域分析174
5.5 大型風機傳動鏈多柔體動力學優化設計175
5.5.1 大型風機傳動鏈動力學優化設計方法175
5.5.2 箱體幾何尺寸優化設計177
5.5.3 齒輪幾何參數優化設計181
5.6 本章小結182
第6章 大型風電齒輪箱行星輪系動態均載技術184
6.1 概述184
6.2 行星輪系均載系數定義及其計算方法184
6.2.1 行星輪系均載系數定義184
6.2.2 NWG型均載計算數學模型185
6.2.3 NW型均載計算數學模型188
6.3 行星輪系均載系數的參數靈敏度分析190
6.3.1 齒輪誤差對均載系數的靈敏度190
6.3.2 齒輪設計參數對均載系數的靈敏度193
6.4 均載機構對行星輪系均載性能的影響193
6.4.1 “浮動自位”機構均載機理193
6.4.2 柔性銷軸式行星輪系均載機理198
6.4.3 滑動軸承誤差對行星齒輪傳動系統均載性能的影響200
6.4.4 具有柔性浮動和均載作用的行星架結構204
6.5 行星輪系均載性能測試方法及其結果分析204
6.5.1 行星輪均載系數測試方法204
6.5.2 均載系數測試結果及其分析208
6.6 本章小結211
第7章 大型風電齒輪傳動系統時變可靠性評估與
設計方法212
7.1 概述212
7.2 時變可靠性模型與參數靈敏度212
7.2.1 實測風速下的輸入載荷212
7.2.2 時變可靠度模型與求解214
7.2.3 時變可靠性靈敏度的計算218
7.2.4 算例與分析22
前 言
第1章 緒論1
1.1 概述1
1.2 風力發電的基本原理與分類2
1.2.1 風力發電的基本原理2
1.2.2 風力發電的分類3
1.3 風力發電發展簡史7
1.4 風力發電齒輪傳動系統的分類與特點10
1.5 風力發電齒輪傳動系統研究現狀15
1.5.1 風力發電齒輪傳動系統優化設計15
1.5.2 風力發電齒輪傳動系統動力學模型與動態特性16
1.5.3 風力發電齒輪傳動系統故障類型與評價監測19
1.6 風電齒輪傳動系統發展趨勢22
1.6.1 單機容量向大型化發展22
1.6.2 大型風電增速齒輪箱研制中的主要技術難題23
1.7 本書主要內容24
第2章 大型風電齒輪箱高功率密度設計理論與方法26
2.1 概述26
2.2 輕量化設計與高功率密度設計的區別與聯系26
2.3 大型風電增速齒輪箱創新傳動構型28
2.3.1 不同類型的傳動構型28
2.3.2 NGW型行星輪系方案30
2.3.3 NW型行星輪系方案31
2.3.4 柔性銷軸 功率分流行星齒輪傳動構型33
2.3.5 機電集成式緊湊型傳動構型35
2.3.6 無外圈軸承的行星輪系方案38
2.4 以減振減重為目標的系統宏觀參數集成優化設計38
2.4.1 多目標優化設計39
2.4.2 多目標靜態優化設計40
2.4.3 多目標動態優化設計46
2.4.4 傳動系統多目標動態優化模型46
2.4.5 載荷系數48
2.4.6 動態優化設計結果與分析48
2.5 以高承載為目標的齒輪副全齒面拓撲修形52
2.6 以輕量化/高承載為目標的結構優化53
2.7 齒輪齒面改性與強化技術58
2.8 高強度與輕量化材料及其應用59
2.9 本章小結61
第3章 大型風電齒輪傳動系統齒輪齒面修形技術62
3.1 概述62
3.2 不同類型的齒輪齒面修形方式62
3.2.1 齒廓修形63
3.2.2 齒向修形67
3.2.3 曲面修形70
3.3 修形斜齒輪嚙合剛度與誤差非線性耦合解析模型及其參數影響72
3.3.1 斜齒輪接觸線長度與接觸位置72
3.3.2 基于切片法的斜齒輪嚙合剛度計算原理74
3.3.3 修形斜齒輪嚙合剛度與誤差非線性耦合解析模型78
3.3.4 斜齒輪單齒嚙合剛度變化規律81
3.3.5 修形參數對斜齒輪綜合嚙合剛度和傳動誤差的影響82
3.4 應用案例85
3.4.1 齒面修形對齒輪嚙合接觸狀態的影響85
3.4.2 齒面修形對齒向載荷分布系數的影響88
3.4.3 齒面修形對承載能力的影響92
3.4.4 齒面修形對振動噪聲的影響93
3.5 修形效果評價94
3.6 本章小結95
第4章 大型風電齒輪箱振動與噪聲控制技術96
4.1 概述96
4.2 風電齒輪箱動態激勵96
4.2.1 考慮隨機風載的風電增速齒輪箱外部動態激勵96
4.2.2 風電增速齒輪箱內部動態激勵100
4.3 風電齒輪箱動力學性能分析111
4.3.1 風電增速齒輪箱模態分析111
4.3.2 振動響應分析113
4.4 風電齒輪箱輻射噪聲分析115
4.4.1 聲學基礎115
4.4.2 風電增速齒輪箱聲學特性分析116
4.5 風電齒輪箱振動噪聲測試118
4.5.1 風電增速齒輪箱振動測試分析119
4.5.2 風電增速齒輪箱輻射噪聲測試分析121
4.6 風電齒輪箱振動與噪聲控制技術122
4.6.1 設計及加工122
4.6.2 輪齒修形126
4.6.3 結構優化132
4.6.4 相位調諧133
4.6.5 均載機構141
4.7 本章小結141
第5章 大型風電傳動鏈多柔體動力學設計及共振
規避方法142
5.1 概述142
5.2 動力學建模方法及模型142
5.2.1 子結構模態綜合法142
5.2.2 子結構有限元模型145
5.2.3 柔性多點約束的建立147
5.2.4 多柔體動力學理論151
5.2.5 模型實例153
5.3 大型風機傳動鏈多柔體系統動力學分析156
5.3.1 時域與頻域分析方法156
5.3.2 算例與分析158
5.4 大型風機傳動鏈共振點甄別166
5.4.1 頻率篩選原則166
5.4.2 阻尼篩選原則167
5.4.3 能量篩選原則168
5.4.4 速度篩選原則170
5.4.5 系統坎貝爾圖172
5.4.6 掃頻時/頻域分析174
5.5 大型風機傳動鏈多柔體動力學優化設計175
5.5.1 大型風機傳動鏈動力學優化設計方法175
5.5.2 箱體幾何尺寸優化設計177
5.5.3 齒輪幾何參數優化設計181
5.6 本章小結182
第6章 大型風電齒輪箱行星輪系動態均載技術184
6.1 概述184
6.2 行星輪系均載系數定義及其計算方法184
6.2.1 行星輪系均載系數定義184
6.2.2 NWG型均載計算數學模型185
6.2.3 NW型均載計算數學模型188
6.3 行星輪系均載系數的參數靈敏度分析190
6.3.1 齒輪誤差對均載系數的靈敏度190
6.3.2 齒輪設計參數對均載系數的靈敏度193
6.4 均載機構對行星輪系均載性能的影響193
6.4.1 “浮動自位”機構均載機理193
6.4.2 柔性銷軸式行星輪系均載機理198
6.4.3 滑動軸承誤差對行星齒輪傳動系統均載性能的影響200
6.4.4 具有柔性浮動和均載作用的行星架結構204
6.5 行星輪系均載性能測試方法及其結果分析204
6.5.1 行星輪均載系數測試方法204
6.5.2 均載系數測試結果及其分析208
6.6 本章小結211
第7章 大型風電齒輪傳動系統時變可靠性評估與
設計方法212
7.1 概述212
7.2 時變可靠性模型與參數靈敏度212
7.2.1 實測風速下的輸入載荷212
7.2.2 時變可靠度模型與求解214
7.2.3 時變可靠性靈敏度的計算218
7.2.4 算例與分析22
展開全部
大型風電齒輪傳動系統動態設計理論與方法 作者簡介
魏靜，1978 年 10 月生，江蘇徐州人。重慶大學機械與運載工程學院教授，博士生導師；重慶市“巴渝學者”特聘教授，重慶市首批英才計劃“創新領軍人才”；長期從事風力發電機、航空發動機等高端裝備動力傳動系統動力學與振動噪聲控制、傳動機械學等領域的研究，先后主持國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金、陸航裝備與民機專項項目等 30 余項科研項目，發表論文 140 余篇，牽頭獲省部級與行業科技進步獎一等獎等 4項。
湯寶平，1971 年 9 月生，湖北黃梅人。重慶大學機械與運載工程學院教授，博士生導師；“百千萬人才工程”人選，享受國務院政府特殊津貼專家，國家重點研發計劃項目負責人。長期從事機電裝備智能運維、測試計量技術領域的研究，先后主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國家“863”計劃、國防軍工計劃等 30余項科研項目，發表論文 200 余篇，作為主要完成人獲 1 項國家技術發明二等獎、1 項國家科技進步二等獎、1項教學成果二等獎。
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