风电机组齿轮的传动系统，用热弹耦合效应，是否会影响机理运作？

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文|淋上云

编辑|淋上云

前言

风电机组齿轮传动系统热弹耦合及振动响应研究，是当前风能行业中一项重要的研究课题。

随着风能的日益重视和利用，风电机组齿轮传动系统，在大型风力发电机中起着至关重要的作用，然而，由于风电机组的工作环境复杂，齿轮传动系统在运行过程中会面临热弹耦合效应的挑战。

而这种热弹耦合效应会导致齿轮传动系统的温度变化、热应力积累以及振动特性的改变，进而影响其可靠性和寿命。

传统的研究方法主要关注齿轮传动系统的结构热弹性分析，以及其动力学特性研究，但未对二者之间的耦合效应进行充分考虑，而热弹耦合及振动响应研究，则揭示了齿轮传动系统中热和力学因素之间的相互作用关系。

这一研究领域的主要目标是在考虑温度和热应力，同时还考虑了振动特性的变化，通过建立数学模型并采用数值模拟和实验分析的方法，可以研究热弹耦合效应对于齿轮传动系统的影响。

然后再通过深入了解热弹耦合效应对齿轮传动系统的影响机理，就可以为优化设计、提高系统可靠性和提升工作效率提供指导性建议。

那么，风电机组的齿轮应该是什么样的，热弹耦合效应对其存在什么影响？

风力电机的动力学效应

风电行业的发展带动了风电设备制造业的飞速发展，同时也带动了齿轮箱、叶片、轴承、电机等零部件企业的发展。

而行星齿轮箱作为风力发电机重要的机械传动部件，其主要用于将风力发电机齿轮箱在风力的作用下产生的动力传递给发电机，使其得到相应的转速。

而且它还具有重量轻、体积小、传动比大、承载能力强、传动效率高等诸多优点，其性能的好坏直接决定了风力发电机性能的好坏。

在具有齿轮箱的双馈风力机中，其齿轮传动系统是多体耦合、周期性时变的柔性系统。

在随着风电机组容量的不断增加和轮毂高度的增加，齿轮箱上的应力会变得更加复杂。

而特殊地形对气流的影响通常会导致风电机组的机械传动系统超过其设计极限，并且气流的不稳定性会导致齿轮箱长时间在复杂的交变载荷下工作。

当风电机组启动时，其产生的扭转冲击力和刹车期间还会产生相应的疲劳冲击力，这对齿轮箱会产生很大的负面影响。

另外，我国北方冬季的低温会使齿轮油变得粘稠，飞溅润滑的部位不能得到充分润滑，更是容易发生故障。

所以，风力机的齿轮箱安装在不如地面坚固的基座上，就会使得其与塔筒和机舱产生耦合振动，这就会让齿轮箱的运行状态更加复杂。

据统计，风力发电系统故障约12%来自于齿轮箱，故障概率约为工业齿轮箱的两倍。

由于风的随机性，叶片对齿轮箱随机载荷的影响会导致齿轮箱系统振动，其受到的动态外载荷还会引起系统产生噪声，这些振动也都导致了齿轮箱传动系统的疲劳损坏，从而降低了齿轮箱系统的稳定性，并增加了维护成本。

而且，一旦传动系统发生故障，将导致长期计划外停机，并严重影响设备的运行，因此，传动系统的稳定性是风力机设备可靠性运行的基石。

所以，从提高风力发电设备的可靠性以及促进风电产业发展来讲，对风电机组传动系统的动力学特性分析具有非常重要的现实意义。

但是，由于齿轮传动系统本质上是具有多个时变参数和多个非线性因素，其中多自由度非线性系统非常高，所以近年来，各行各业的研究重点已经从线性振动转向非线性振动。

因此，我们团队就有人研究了非线性因素包括齿轮的时变啮合刚度、齿侧间隙、轴承游隙、齿面摩擦力和其他影响因素。

齿轮传动的因素

其中，时变啮合刚度是齿轮传动系统内部动态激励的主要参数，其周期性变化直接影响着系统动力学响应的规律，是齿轮传动系统振动区别于多数机械系统振动最明显的特征。

目前，计算啮合刚度常用的方法有：材料力学方法、弹性力学方法及有限元法等，例如，石川公式方法和其改进的算法，这种方法很难计算出故障齿轮的啮合刚度。

但是，基于Weber的材料力学方法，我们团队就考虑到了轮齿的弯曲变形，剪切变形，压缩变形，齿轮基体变形和赫兹接触变形，并研究了齿面剥落和齿顶剥落对啮合刚度的影响。

同时还使用方程式对齿轮加工制造过程中的渐开线齿轮进行精确建模，并使用Weber能量法计算直齿轮的时变啮合刚度。

但是，在计算过程中，还使用了定法向载荷法来计算轮齿的变形，其计算出的主动轮和从动轮的变形几乎是对称的，啮合点的接触变形是恒定的，这与实际情况不符。

而我们团队就有人提出了基于石川公式的改进建议，并使用改进的公式来研究齿轮参数对齿轮时变啮合刚度的影响。

为此，还有人计算了一个经验公式，该公式可以通过有限元分析的结果近似计算刚度，同时还考虑了早期啮入和延迟啮出时间与理论时间之间的误差，并修改了传统的啮合刚度公式。

但是，这对于其他轮齿能量是有影响的，所以，就有人计算了健康轮齿和裂纹轮齿的时变啮合刚度。

我们更是使用了韦伯公式来研究齿根裂纹对齿轮的时变啮合刚度的影响，把直齿轮作为研究对象，用能量法作为研究方法，将时变啮合刚度的计算结果与有限元法的计算结果进行比较，用以满足误差的要求，这也为齿轮啮合刚度的分析提供了有效的方法。

同时，我们还考虑了摩擦、扭矩和齿轮中心距等对传递误差、啮合刚度和载荷分布的影响，并结合了解析法和有限元法进行分析。

由于，其齿廓误差的影响，我们团队就有人提出了一个通用的啮合刚度模型来研究齿顶修形、齿轮转矩和齿轮裂纹对时变啮合刚度的影响。

从而考虑到轮齿的实际形状，齿轮的基圆和齿根圆不能完全重合，并且当齿轮的齿数或多或少时，两者之间的间隙非常大，因此，当用这种方法求解啮合刚度时，肯定会存在一定误差。

基于上面的情况，就有人提出了齿根圆与基圆不重合时的啮合刚度修正方法，但是该方法必须先确定齿轮轮齿的数量，然后才能进行后续计算。

而理想齿轮是模型的主要研究对象，但是，由于实际啮合过程中的齿轮误差，齿面的实际接触状态可能与理想齿轮不同。

特别是当负载较小或误差较大时，大多数理论接触点都是无法参与接触的，这将直接导致齿轮副的总变形和啮合刚度与理想齿轮不同。

但是，齿轮之间存在的间隙问题就会成为机器运转中最为重要的问题，这不仅会为风电机带来隐患，说不定还会带来工作上的损失。

齿轮间隙的特性

而间隙是影响系统振动特性的一个核心问题，由于需要润滑，安装和加工过程中的误差以及工作过程中的磨损，因此，齿轮在啮合时不可避免地存在间隙，这个间隙的存在将极大地影响系统的动态响应。

因为轮齿间存在着齿侧间隙，而轴承处存在着径向间隙，在齿轮传动系统中需要同时考虑轮齿和轴承的振动特性。

同时，还考虑了齿隙和径向游隙的齿轮传动系统中的非线性模型，通过试验验证了多间隙和多自由度模型，并分析了齿轮传动系统的动力学特性。

并且我们团队还有人使用了等效弹簧阻尼器描述径向间隙，同时还建立了多间隙齿轮传动系统的模型，并分析了系统的非线性动态响应。

为此，我们团队就分析了例如间隙和时变啮合刚度等之间的非线性因素，对系统振动特性的影响。

而使用多间隙模型来分析齿轮传动系统的振动特性和不平衡响应，同时还推导了时变啮合刚度和时变轴承刚度模型，考虑到了齿隙和轴承径向游隙，就用有限元法建立了具有多个间隙的柔性转子耦合系统模型。

还探讨了转速、齿面侧隙和轴承径向游隙等之类的参数，对系统非线性动态响应的影响。

并且还建立了一个多间隙模型，在此基础上进行了更全面的考虑，还有了一套可调节齿侧间隙的实验装置，并研究了齿轮转子系统的动态响应。

而我们的团队还研究了齿侧间隙、时变啮合刚度、静态传动误差、不平衡质量和弹性转轴等因素对其的影响。

但是，间隙是不可避免的，是并且必须存在机构中的，加工和装配误差将导致运动副产生间隙，不过，有时候在设计过程中会人为地增加间隙，以方便机构运动和润滑。

同时，磨损和疲劳也会导致运动副出现时变间隙，尺寸变化的间隙也会进一步影响构件之间的碰撞与振动特性。

随着时间的慢慢推移，时变参数及时变激励对齿轮传动系统动态特性是存在影响的，对侧隙的研究也由简化的定侧隙变为时变的动态侧隙。

因此，在不考虑齿轮传动系统振动特性和齿轮本身性质的影响，其动态侧隙随机变化，或者服从某一概率密度函数而变化。

并且，在使用正态分布函数描述随机齿侧间隙，其使用分岔图和最大指数谱分析了单级齿轮系统的动态特性。

而我们团队有人研究了在白噪声激励下，具有随机侧隙的单自由度齿轮传动系统的响应。

其中含有分形特征的动态侧隙，就考虑到了齿面粗糙对侧隙的影响，但是，没有考虑齿轮传动系统振动特性对齿隙的影响。

所以，就有人介绍了分形理论，还研究了具有分形特性的齿隙对单级齿轮传动系统动态特性的影响，并与遵循正态分布的齿隙进行了比较，分析了齿隙对齿轮副扭转模型振动响应的影响，就发现了分形法优于其他方法。

同时还建立了含分形特征的动态侧隙的齿轮轴承传动系统模型，通过分岔图、频域图及相图，分析分形维数、阻尼比、啮合刚度对齿轮轴承传动系统振动响应的影响。

随着中心距变化的动态侧隙，这就只考虑了齿轮传动系统振动特性对侧隙的影响，但是，这些都对齿轮系统不存在影响，而风电机组齿轮传动系统的热弹耦合，以及振动响应，是为了研究解决风能行业中齿轮传动系统面临的热弹耦合效应问题。

结语

因此，根据这样的情况而为进行的重要工作就提供了深入的认识和理解，通过综合考虑温度和热应力对齿轮传动系统的影响，以及其对振动特性的改变，该研究揭示了热弹耦合效应在风电机组齿轮传动系统中的关键作用。

研究表明，风电机组齿轮传动系统在运行过程中会受到工作环境的影响，使得系统内部的温度和热应力发生变化，从而导致振动特性的改变。

在通过建立数学模型，采用数值模拟和实验分析的方法，研究人员可以定量分析热弹耦合效应对齿轮传动系统的影响，并为系统的设计和优化提供指导性建议。

这一研究的意义，不仅在于更好地理解风电机组齿轮传动系统的工作机理和性能特点，还可以为提高系统的可靠性和寿命提供技术支持。

从而了解热弹耦合效应对齿轮传动系统的影响机理，有助于优化设计、减少能量损耗和维护成本，会让其延长设备的使用寿命，提高风能发电的效率和经济性。

综上所述，风电机组齿轮传动系统热弹耦合及振动响应研究在风能行业中具有重要意义。

通过深入研究热弹耦合效应的影响机理，我们能够更好地理解齿轮传动系统的工作特性，并为提高系统的性能、可靠性和寿命，推动风能行业的发展提供有力支持。

随着研究的不断深入和完善，我们有理由相信这一领域的进展，将为解决风电机组齿轮传动系统面临的实际问题，提供更有效的解决方案。