兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)動態(tài)特性研究

羅勇水，周民強(qiáng)，陳 棋，崔 峰，劉偉江

（浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012）

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)動態(tài)特性研究

羅勇水，周民強(qiáng)，陳 棋，崔 峰，劉偉江

（浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012）

基于集中參數(shù)質(zhì)量法建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組四質(zhì)量塊柔性傳動模型，在綜合考慮外部風(fēng)載、齒輪副嚙合剛度、嚙合阻尼和綜合嚙合誤差激勵(lì)條件下建立齒輪箱內(nèi)部各級齒輪副動力學(xué)方程。以1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為計(jì)算對象，計(jì)算柔性傳動系統(tǒng)固有頻率和齒輪箱各級齒輪動態(tài)嚙合力，通過雨流計(jì)數(shù)法對齒輪動態(tài)嚙合力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示動態(tài)嚙合力具有很強(qiáng)的時(shí)變特性，此研究方法為齒輪和軸承設(shè)計(jì)、壽命預(yù)估建模提供依據(jù)。并對傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示傳動系統(tǒng)一階扭振頻率與風(fēng)輪面內(nèi)一階擺振頻率偏差為7.5%，通過降低主軸重量約8.5%，提高了傳動系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)頻率值5%，提高后的頻率值與風(fēng)輪面內(nèi)一階擺陣頻率偏差達(dá)11.9%，大于規(guī)范推薦值10%，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可靠性研究提供參考。

風(fēng)力發(fā)電；柔性傳動系統(tǒng)；動態(tài)特性；動力學(xué)方程

目前，國內(nèi)外主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組為兆瓦級機(jī)組，由變槳系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)和塔架組成，其中傳動系統(tǒng)（槳葉、輪轂、主軸、主軸承、齒輪箱、聯(lián)軸器和發(fā)電機(jī)）是吸收風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的核心系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多處于環(huán)境惡劣（高海拔或海島地形等）、變速變載、高湍流強(qiáng)度等復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，傳動系統(tǒng)是風(fēng)電設(shè)備故障率高發(fā)系統(tǒng)［1］，由于風(fēng)電場地處偏遠(yuǎn)、維修困難、人員配置少、更換費(fèi)用高等因素，一旦傳動系統(tǒng)故障，將造成長時(shí)間非計(jì)劃停機(jī)，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)營，故傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備可靠性運(yùn)行的基石。

近年來，國外專家對齒輪箱進(jìn)行了大量的研究，如：Kahraman等［2－3］建立了純扭轉(zhuǎn)振動模型，分析了齒輪箱扭轉(zhuǎn)振動特性，并針對行星輪系的參數(shù)影響和穩(wěn)定性進(jìn)行了較深入的研究；Lin等［4］建立了行星齒輪傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)和橫向耦合振動模型，模型中將滾動軸承模擬為線性彈簧并考慮了齒輪的時(shí)變嚙合剛度，分析了行星齒輪傳動系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)特性。國內(nèi)專家、學(xué)者也開展了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱傳動的動力學(xué)研究，如：孫濤等［5－6］建立了2K－H行星輪系彎曲－扭轉(zhuǎn)耦合非線性動力學(xué)模型，采用解析諧波平衡法求解行星輪系系統(tǒng)的非線性頻響特性；朱才朝等［7］建立了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的多級齒輪傳動系統(tǒng)耦合非線性動力學(xué)模型，在考慮系統(tǒng)內(nèi)部激勵(lì)的情況下對系統(tǒng)耦合動態(tài)特性進(jìn)行了研究；王旭東等［8］通過計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱在剛度激勵(lì)和誤差激勵(lì)作用下的動態(tài)響應(yīng)，獲得齒輪箱的振動烈度。

目前，國際國內(nèi)的研究工作側(cè)重點(diǎn)為齒輪箱在內(nèi)部激勵(lì)條件下的動態(tài)特性研究，對行星輪系有較深入的研究，而對整個(gè)傳動系統(tǒng)耦合狀態(tài)下的動態(tài)特性研究較少，特別是在外載激勵(lì)和內(nèi)部激勵(lì)條件下傳動系統(tǒng)和齒輪箱的動態(tài)特性研究更少［9－11］。鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)動態(tài)特性，不能直接簡化為剛性傳動模型，僅通過分析齒輪箱動態(tài)特性代替?zhèn)鲃酉到y(tǒng)動態(tài)特性，為了更真實(shí)、準(zhǔn)確地描述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)在實(shí)際工況環(huán)境下的動態(tài)特性［12］。本文首先建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)四質(zhì)量塊柔性模型，并建立動力學(xué)方程；在考慮外部風(fēng)載、齒輪副時(shí)變嚙合剛度、嚙合阻尼和綜合嚙合誤差激勵(lì)條件下建立齒輪箱內(nèi)部各級齒輪副嚙合動力學(xué)方程。以1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為計(jì)算對象，計(jì)算傳動系統(tǒng)固有頻率和齒輪箱各級齒輪動態(tài)嚙合力，對齒輪箱齒輪嚙合力時(shí)變特性進(jìn)行研究，并對傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可靠性研究提供參考。

1 傳動系統(tǒng)柔性傳動模型

1.1 動力學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)主要由槳葉、輪轂、主軸、主軸承、齒輪箱、聯(lián)軸器和發(fā)電機(jī)組成，傳動系統(tǒng)采用經(jīng)典的三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，分別由主軸承座和齒輪箱箱體兩臂的彈性支撐組成，承受傳動系統(tǒng)的傾覆和擺動力矩；風(fēng)輪、主軸、齒輪箱、聯(lián)軸器和發(fā)電機(jī)為傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳遞部件，也是轉(zhuǎn)矩的承載部件；槳葉為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)載吸收的部件，亦是傳動系統(tǒng)載荷輸入。

根據(jù)傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分解為六質(zhì)量塊柔性傳動鏈模型，分別為三片槳葉等效質(zhì)量塊、輪轂等效質(zhì)量塊、齒輪箱等效質(zhì)量塊和發(fā)電機(jī)等效質(zhì)量塊組成。見圖1。

式中HB1、HB2和HB3為三片槳葉等效質(zhì)量塊，HH為輪轂等效質(zhì)量塊，HGB為齒輪箱等效質(zhì)量塊，HG為發(fā)電機(jī)等效質(zhì)量塊。KBH1、KBH2、KBH3、KLS和KHS為連接部件之間的等效剛度，而連接部件之間等效阻尼系數(shù)分別用DBH1、DBH2、DBH3、DLS和DHS表示。DB1、DB2、DB3、DH、DGB和DG為各部件內(nèi)部等效阻尼系數(shù)，TB1、TB2、TB3和TW分別為單片槳葉的氣動轉(zhuǎn)矩和總轉(zhuǎn)矩，TG為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

圖1 傳動系統(tǒng)六質(zhì)量塊模型Fig.1 Six quality blocksmodel of drive system

1.2 動力學(xué)方程

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，三片槳葉掃掠形成一個(gè)等效圓盤，故將三片槳葉的模型等效合成為風(fēng)輪模型，六質(zhì)量塊傳動鏈模型簡化為四質(zhì)量塊傳動鏈模型，見圖2。

圖2 傳動系統(tǒng)四質(zhì)量塊模型Fig.2 Four quality blocksmodel of drive system

將HB1、HB2和HB3合成為風(fēng)輪等效質(zhì)量HB；KBH1、KBH2和KBH3合成為風(fēng)輪等效剛度KBH；DBH1、DBH2和DBH3合稱為風(fēng)輪等效阻尼系數(shù)DBH；DB1、DB2和DB3合成為風(fēng)輪內(nèi)部等效阻尼系數(shù)DB。

建立動力學(xué)方程，如下：

式中，ωB、ωH、ωGB、ωG分別表示風(fēng)輪、輪轂、齒輪箱和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度，ω0表示傳動系統(tǒng)角速度基值，θBH表示風(fēng)輪相對輪轂的角位移，θLS表示輪轂相對齒輪箱的角位移，θHS表示齒輪箱相對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移。

2 齒輪箱傳動模型

2.1 動力學(xué)模型

為了研究齒輪箱內(nèi)部各級齒輪動態(tài)嚙合力和軸承載荷特性，在傳動系統(tǒng)動力學(xué)建模的基礎(chǔ)上，考慮外部風(fēng)載激勵(lì)和內(nèi)部激勵(lì)的條件下，對齒輪箱內(nèi)部傳動進(jìn)行動力學(xué)建模。

以額定容量1.5 MW的主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為計(jì)算對象，齒輪箱結(jié)構(gòu)形式為一級行星二級平行軸，如圖3所示，行星架c與主軸相連，為齒輪箱輸入軸，將轉(zhuǎn)矩通過行星級嚙合傳遞給太陽輪s，然后由太陽輪s傳遞給后箱體平行級g1－g2，最后傳遞給g3－g4，g4為輸出軸，Tin為輸入轉(zhuǎn)矩，Tout為輸出轉(zhuǎn)矩。

圖3 齒輪箱傳動簡圖Fig.3 Gearbox transmission diagram

基于集中參數(shù)質(zhì)量法建立齒輪箱動力學(xué)模型，考慮各齒輪副的時(shí)變嚙合剛度、軸承剛度、嚙合誤差和阻尼的影響，得到如圖4所示。

圖4 齒輪箱動力學(xué)模型Fig.4 Dynamicalmodel of gearbox

太陽輪、行星架和內(nèi)齒圈采用定坐標(biāo)系，行星輪采用動坐標(biāo)系，輸入轉(zhuǎn)矩作用下各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動方向?yàn)榻俏灰普?，各齒輪副嚙合線位移，以齒面受壓為正向。圖4中，k1s、c1s為太陽輪和齒輪g1連接軸的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼系數(shù)，k23、c23為齒輪g2、g3連接軸的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼系數(shù)，kxy為齒輪副嚙合剛度，cxy為齒輪副嚙合阻尼系數(shù)，exy為綜合嚙合誤差，（x，y）＝（pi，s，r，c，1，2，3，4）。

建立齒輪箱動力學(xué)方程如下：

式中，xps為行星輪與太陽輪在嚙合線上的變形，xpr為行星輪與內(nèi)齒圈在嚙合線上的變形，x12為齒輪副g1－g2在嚙合線上的變形。x34為齒輪副g3－g4在嚙合線上的變形。θj為各齒輪扭轉(zhuǎn)角位移，αj為各旋轉(zhuǎn)軸初始相位角，γj為各齒輪基圓半徑，xj為各齒輪軸向振動位移，αxy為齒輪節(jié)圓嚙合角。

2.2 動力學(xué)方程

通過拉格朗日方程推導(dǎo)出各級齒輪傳動的振動微分方程，Jj、mj分別為各級齒輪轉(zhuǎn)動慣量和等效質(zhì)量，F(xiàn)kfs、Fcfs分別為齒輪嚙合副的彈性嚙合力和粘性嚙合力。

齒輪箱傳動振動微分方程如下：

3 仿真計(jì)算

3.1 外部激勵(lì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的外部激勵(lì)來自外界風(fēng)載，風(fēng)速的變化與地形、地勢、地貌、海拔高度、季節(jié)性、氣象等密切相關(guān)，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)要求，使用專業(yè)風(fēng)電建模軟件BLADED模擬機(jī)組在額定風(fēng)速附近的湍流風(fēng)，并計(jì)算出傳動系統(tǒng)輸入扭矩，見圖5和圖6。

圖5 外部風(fēng)載Fig.5 Externalwind load

圖6 傳動系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)矩Fig.6 Input torque of the drive system

3.2 內(nèi)部激勵(lì)

傳動系統(tǒng)內(nèi)部激勵(lì)主要來源于齒輪箱，具體為齒輪嚙合的剛度激勵(lì)和綜合誤差激勵(lì)。

3.2.1 齒輪嚙合的剛度激勵(lì)

剛度激勵(lì)是指齒輪嚙合過程中嚙合綜合剛度的時(shí)變性引起的動態(tài)載荷，齒輪綜合剛度定義為一對或幾對同時(shí)嚙合的齒輪在1 mm齒寬上產(chǎn)生1μm撓度所需的載荷，齒輪嚙合綜合剛度計(jì)算式如下：

式中，ωxy為嚙合頻率，n為嚙合剛度的諧波階次，kxy為嚙合剛度均值，ksa、kca分別為各嚙合齒輪副第α階正弦交變分量幅值和余弦交變量幅值。

根據(jù)嚙合剛度公式推導(dǎo)出齒輪副的嚙合阻尼計(jì)算公式，如下：

式中，cj為齒輪嚙合阻尼比，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般為0.1左右，Rp、Rg分別為主、從動齒輪的基圓半徑，Jp、Jg分別為主、從動齒輪的轉(zhuǎn)動慣量。

3.2.2 綜合嚙合誤差激勵(lì)

齒輪嚙合誤差是由齒輪加工誤差和安裝誤差引起，嚙合誤差使齒輪嚙合齒廓偏離理論位置，使齒輪嚙合狀態(tài)發(fā)生變化，造成齒與齒之間的碰撞或沖擊，產(chǎn)生了齒輪嚙合的誤差激勵(lì)。齒輪的綜合誤差公式為：

式中，e0、er分別為齒輪副綜合誤差的均值和幅值，Tg

為齒輪的嚙合周期，φ為相位角。

3.3 動態(tài)特性計(jì)算

以額定容量1.5MW的主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為計(jì)算對象，主要參數(shù)：風(fēng)輪直徑為82 m，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速為17.2 r／min，在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度（1.225 kg／m3）下額定風(fēng)速約11.5 m／s，發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 800 r／min，風(fēng)輪系統(tǒng)（除輪轂）重量約21 000 kg，輪轂和主軸重約18 000 kg，齒輪箱重量約17 000 kg，發(fā)電機(jī)重量約7 100 kg。齒輪箱增速比104.5，行星級Zr＝102，Zp＝40，Zs＝21；平行級Z1＝100，Z2＝23，Z3＝94，Z4＝23，均為斜齒。

在外部風(fēng)載激勵(lì)（圖6）和內(nèi)部激勵(lì)的作用下，計(jì)算出式（4）～（6）的齒輪副剛度、阻尼和綜合誤差值，將計(jì)算結(jié)果代入式（1）～（3）中，假定傳動系統(tǒng)各部件間阻尼系數(shù)為0.05，求解傳動系統(tǒng)動力學(xué)方程，獲得傳動系統(tǒng)固有頻率和齒輪箱齒輪副動態(tài)嚙合力。

傳動系統(tǒng)前8階固有頻率如表1所示。

表1 傳動系統(tǒng)固有頻率Tab.1 The natural frequencies of the d rive system

如表1所示，系統(tǒng)主要陣型為：系統(tǒng)一階扭振、系統(tǒng)上下晃動、齒輪箱行星級耦合陣型、齒輪箱低速平行級耦合陣型和齒輪箱高速平行級耦合陣型。通過對模態(tài)數(shù)據(jù)分析可知，系統(tǒng)低頻動態(tài)響應(yīng)特性主要與外部激勵(lì)相關(guān)，中高頻動態(tài)響應(yīng)特性主要由內(nèi)部激勵(lì)主導(dǎo)。

齒輪箱內(nèi)各級齒輪副動態(tài)嚙合力曲線見圖7。

圖7 齒輪箱行星級、低速平行級和高速平行級齒輪動態(tài)嚙合力Fig.7 The dynamic force of gearbox planet gear、low-speed parallel gear and high－speed parallel gear

由于動態(tài)嚙合力考慮了外部激勵(lì)、剛度激勵(lì)、阻尼和誤差激勵(lì)等多個(gè)因素，動態(tài)嚙合力幅值波動較大，且振動頻率較高，為了更好的分析動態(tài)嚙合力的分布規(guī)律，以g3－g4齒輪副為例，對其動態(tài)嚙合力采用雨流記數(shù)法處理，并將其轉(zhuǎn)化為均值為零的幅值統(tǒng)計(jì)圖。見圖8。

圖8 齒輪箱高速級齒輪動態(tài)嚙合力幅值統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 The dynamic force statistical diagram of gearbox high-speed parallel gear

從圖8可知，高速級齒輪動態(tài)嚙合力幅值成正態(tài)分布，通過曲線擬合得到正態(tài)分布曲線（μ＝80，σ＝30），獲得高速級齒輪動態(tài)嚙合力的分布規(guī)律，為齒輪箱齒輪和軸承設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并為壽命預(yù)估模型提供參考。

4 穩(wěn)定性分析

根據(jù)表1結(jié)果顯示，傳動系統(tǒng)低階（頻率小于10 Hz）振型為一階扭轉(zhuǎn)振動和上下晃動振動，為了保證傳動系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，必須保證傳動系統(tǒng)前兩階固有頻率與風(fēng)輪工作轉(zhuǎn)頻1P、3P、風(fēng)輪面外一階揮舞頻率、風(fēng)輪面內(nèi)一階擺陣頻率避開，偏差不小于10%。

以額定容量1.5 MW的主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為計(jì)算對象進(jìn)行分析，風(fēng)輪工作轉(zhuǎn)頻范圍為10.53～17.2 r／min，風(fēng)輪面外一階揮舞頻率為0.78 Hz，風(fēng)輪面內(nèi)一階擺陣頻率為1.48 Hz，坎貝爾圖見圖9。

圖9 坎貝爾圖Fig.9 Campbell diagram

從圖9中可知，傳動系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)頻率和上下晃動頻率與風(fēng)輪1P、3P、風(fēng)輪面外一階揮舞頻率、風(fēng)輪面內(nèi)一階擺陣頻率在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)沒有交叉，即沒有共振點(diǎn)，但傳動系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)頻率與風(fēng)輪面內(nèi)一階擺陣頻率相距較近，偏差為7.5%，小于10%，為了保證傳動系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，考慮通過降低主軸的質(zhì)量或提高齒輪箱彈性支撐剛度的方式來提高一階扭轉(zhuǎn)頻率。

由于齒輪箱彈性支撐剛度波動較大，控制精度較差，故通過降低主軸質(zhì)量的方式實(shí)現(xiàn)。主軸為空心軸結(jié)構(gòu)，空心孔用于機(jī)艙與輪轂之間的電纜鋪設(shè)，主軸原始設(shè)計(jì)重量約5 900 kg，空心孔直徑為190 mm，現(xiàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)，將空心圓直徑擴(kuò)大為240 mm，并減小主軸與輪轂連接的法蘭盤厚度25 mm，則主軸重量減少約500 kg（占重量的8.5%），利用有限元軟件ANSYS對改進(jìn)后的主軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，在極限工況下最大應(yīng)力點(diǎn)為313 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度（490 MPa）；并進(jìn)行疲勞計(jì)算，累積疲勞損傷小于1，符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 主軸強(qiáng)度分析Fig.10 Strength analysis ofmain shaft

根據(jù)動力學(xué)方程重新計(jì)算傳動系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)頻率，結(jié)果為1.68 Hz，與風(fēng)輪面內(nèi)一階擺陣頻率偏差為11.9%，超過10%，保證了傳動系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

另外，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在升速過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速為15.6 r／min時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻3P（0.78 Hz）與風(fēng)輪面外一階揮舞頻率（0.78 Hz）存在交叉點(diǎn)，利用快速通過控制策略和在發(fā)電機(jī)端加反向勵(lì)磁阻尼的方式控制通過時(shí)振動能量。

5 結(jié) 論

本文通過集中參數(shù)質(zhì)量法建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)四質(zhì)量塊柔性模型，在考慮外部風(fēng)載、齒輪副時(shí)變嚙合剛度、嚙合阻尼和綜合嚙合誤差激勵(lì)條件下建立齒輪箱內(nèi)部各級齒輪副嚙合動力學(xué)方程。以1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為計(jì)算對象，計(jì)算傳動系統(tǒng)固有頻率和齒輪箱各級齒輪動態(tài)嚙合力，對齒輪箱齒輪嚙合力時(shí)變特性進(jìn)行研究，并對傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）傳動系統(tǒng)主要陣型為系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)振動、系統(tǒng)上下晃動和齒輪箱行星級耦合陣型、齒輪箱低速平行級耦合陣型和齒輪箱高速平行級耦合陣型，低階（固有頻率小于10 Hz）振型與外部風(fēng)載激勵(lì)相關(guān)，中高階振型與內(nèi)部激勵(lì)相關(guān)。幅值分析，系統(tǒng)主要以一階扭轉(zhuǎn)振動和上下晃動為主。

（2）齒輪箱內(nèi)部各級齒輪副在外部激勵(lì)、時(shí)變嚙合剛度、和綜合嚙合誤差激勵(lì)下，齒輪副嚙合力呈現(xiàn)高頻波動，具有很強(qiáng)的時(shí)變特性，通過雨流計(jì)數(shù)分析，動態(tài)嚙合力幅值與頻次成正態(tài)分布規(guī)律，為齒輪疲勞受力、軸承承載受力分析提供依據(jù)，并為壽命預(yù)估建模提供參考。

（3）傳動系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)振動頻率與風(fēng)輪面內(nèi)一階擺陣頻率偏差為7.5%，小于規(guī)范推薦值10%。通過降低主軸重量約8.5%，提高了傳動系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)頻率約5%，提高后的頻率值與風(fēng)輪面內(nèi)一階擺陣頻率偏差達(dá)11.9%，超過10%，保證了傳動系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可靠性研究提供參考。

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Dynam ic characteristics of a MW class w ind turbine drive system

LUO Yong-shui，ZHOU Min-qiang，CHEN Qi，CUIFeng，LIUWei-jiang

（State Key Laboratory ofWind Power System，Zhejiang Windey Co.，Ltd，Hangzhou 310012，China）

Based on the lumped parametermass standard，a 4-mass wind turbine flexible drive system model was established.Considering externalwind load，gearmesh stiffness，mesh damping and meshing error excitation，its gearbox dynamic equationswere built.A 1.5 MW wind turbine was taken as a calculation object，the natural frequencies of the flexible drive system and the dynamic meshing forces of the gearbox's gear pairs were computed.The statistical analysis wasmad for the gear dynamic meshing forces with the rain flow count method.The results showed that the dynamic meshing forces have strong time-varying characteristics，the proposedmethod provides a guide for gear and bearing design，and their life forecastmodeling.The stability of the flexible drive system was also analysed，the results showed that the deviation between the first order torsional vibration frequency of the drive system and the first order shimmy frequency of the wind turbine rotor is 7.5%，through reducing the weight of the main shaft about 8.5%，the first order torsional vibration frequency of the drive system increases 5%，then the deviation mentioned above is 11.9%，it is 10%larger than the specification value recommended.All results provided a theoretical foundation for wind turbine drive system design and its reliability study.

wind power；flexible drive system；dynamic characteristics；dynamic equation

TK83

A

10.13465／j.cnki.jvs.2015.21.020

2014－08－12 修改稿收到日期：2014－11－06

羅勇水男，碩士生，工程師，1987年7月生