风力涡轮机齿轮箱的动态性能和故障模拟研究

风力涡轮机（WT）的传动系统采用高速齿轮传动、中速传动或直接传动等较新的技术。在涡轮机中，电气系统的故障率最高，但导致停机时间最长的是齿轮箱的故障。齿轮箱可能以不同的方式发生故障，但其中大部分故障是由轴承、齿轮和其他原因引起。

轴承故障常常是由于维护不足、润滑不足、安装不当以及操作条件不当等原因引起的。风力涡轮机的齿轮箱还受到各种操作条件的影响，不仅会产生高动态载荷、扭矩反转和弹跳效应、轴的快速加速和减速，还会导致失调和结构变形。

齿轮箱中轴承的故障可能是由于环境条件的变化造成的，例如导致住宅和内圈之间的高温梯度，或者由于空载条件下的低操作载荷导致打滑和滑动损伤。最近关于轴承过早故障的研究表明，瞬态扭矩反转和低载荷条件是这些故障主要原因。

在齿轮箱中，存在非扭矩负载的情况下，风力涡轮机的运行条件会导致轴承和齿轮的失调和瞬态载荷。轴承发生失调会改变其特性。

气弹性模型允许惯性力、弹性力和空气动力学力以及它们的伺服机制之间的相互作用。一些气弹性软件的例子包括由NREL开发的FAST10、由DTU Wind Energy开发的HAWC211、由DNV-GL开的Bladed12和由MSC Software发的AdWiMo13。这些软件根据入的环境条件在时内计算风力轮机负荷和响应，但通常这些型中忽略了齿轮箱动力学特性。

针对传动系统组件，通常是齿轮箱，可以采用集总参数模型、多体系统或有限元方法建立详细模型。这些模型可以模拟传动系统中动力相互作用导致的内部载荷。确定所需的复杂性水平以在准确性和计算效率之间取得平衡非常重要。

根据Guo的研究，对于传动系统的建模，仅考虑齿轮箱是不足以捕捉组件的载荷和运动的；与主轴承和发电机的耦合是重要的。在齿轮箱的负荷模拟中，包括轴承间隙和预紧力是重要的，它们可以影响非扭矩载荷传递路径，以及壳体和载体变形，可以变轴承载荷。从激励源的度来，除扭矩入，扭矩荷和力也相关。

Oyague在风力涡轮机齿轮箱的仿真代码方面做了最新的研究综述。作者根据模型的复杂性提出了传动系统建模的四个阶段。Mandic使用了一个基于集总参数系统的风力涡轮机传动系统纯扭转模型，该模型具有5个自由度（DOFs），最小由风变化引起的传动系的扭转且振。

在另一项研究中，使用HAWC2对齿轮箱进行了集总参数模型的仿真，以研究行星轴承的损伤等效载荷。将组件表示为多体系统相对于有限元模型减少了自由度的数量，但精度水平仍足够好，能够以真实的方式表示传动系统。Peeters提出一种基于多体方法建模方法，于模拟风力轮机传动系的动态行为。

我们使用商业软件SIMPACK构建了传动系统模型：完全刚性模型，其中扭转刚度由扭转弹簧表示，还包括主轴、轮毂和发电机控制；以及使用Timoshenko表示齿轮箱轴和采用柔性构件表示壳体和行星支架的柔性型。这两个型结合了太阳轮和星轮测量结果，表明太阳轮的径可受到齿轮耦合响应和齿轮结构柔性的影响。

对于使用SIMPACK模型研究了浮动太阳轮的风力涡轮机行星齿轮箱中齿轮几何误差的影响。还使用商业软件MSC ADAMS进行了概率分析，以模拟行星斜齿轮级和高速平行斜齿轮级的可变载荷、组装和设计参数。Haastrup使用ADAMS开了一750千瓦力涡机齿箱模型，以研究主轴错位对行星支架挠的影响。

在他们的研究中，采用了基于实验数据的参数识别方法，量化了模拟的错位并分析了由于接触压力增加而导致的齿轮寿命的减少。其他研究人员使用ADAMS研究了近海风力涡轮机传动系统的动态行为。多体系统与有限元的结合将产生具有精度模型，适用所选件，并且可在合理的时范围进行态仿。

通常在传动系统模型中，轴承被建模为具有间隙的线性或非线性刚度。这种表示方法可以捕捉作用在轴承上的整体力以及其对系统的影响，但忽略了轴承内部的相互作用。为了捕捉这些现象，因此基于接触和摩擦力学的锥形滚子轴承的维模型。

我们使用有限元模型研究了滚子轴承表面缺陷、边缘不连续性、径向载荷和轴转速对滚子和外滚道之间接触力的振动特性的影响。Kabus指出，滚动轴承中的接触压力计算高度依赖于滚子-滚道接触的精确性和准确包括支撑结构的结构挠的能力。

总的来说，我们借助一些商业软件和多体系统与有限元结合的方法，更加精准地模拟风力涡轮机的动态行为，以期在实际应用中提高风力涡轮机的运行效率和降低故障率。这一领域的研究并非一朝一夕就能取得突破，但我们的研究为理解风力轮机齿轮工作原理，及如何提升其性能和稳定性提供有力理论支持，有望推风能电技术的持续发展。