基于動(dòng)力學(xué)的風(fēng)力機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性研究

摘 要：為正確評估齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)齒面接觸疲勞壽命，以2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對象，引入風(fēng)場風(fēng)速變化規(guī)律并選用weibull分布建立隨機(jī)風(fēng)速模型?？紤]外部風(fēng)載以及由齒輪、軸承剛度等引起的內(nèi)部載荷激勵(lì)，建立行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)平移-扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模型，求得傳動(dòng)系統(tǒng)各齒輪副動(dòng)態(tài)嚙合力并計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)力歷程。針對齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度及受載隨機(jī)性的特點(diǎn)，以輪齒的強(qiáng)度退化表征疲勞效應(yīng)，基于非線性疲勞損傷累積理論建立剩余強(qiáng)度模型，在傳統(tǒng)應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論的基礎(chǔ)上，得到隨機(jī)風(fēng)載作用下齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠度功能函數(shù)，通過攝動(dòng)法對零部件的動(dòng)態(tài)可靠度變化曲線進(jìn)行描述。結(jié)果表明：在強(qiáng)度退化和隨機(jī)載荷聯(lián)合作用下，風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)各齒輪疲勞可靠度隨服役時(shí)間出現(xiàn)逐漸下降的趨勢，且服役前期可靠度下降趨勢較快，中后期下降趨勢逐漸減緩，強(qiáng)度退化形式及載荷大小影響著可靠度的變化趨勢。該模型反映了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)可靠度隨服役時(shí)間的變化規(guī)律，為產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)及疲勞壽命預(yù)測提供了參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；疲勞損傷；動(dòng)態(tài)可靠性；疲勞壽命；齒輪傳動(dòng)

中圖分類號：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

伴隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)問題的日益嚴(yán)重，風(fēng)能作為一種清潔能源，更易形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，風(fēng)力發(fā)電的市場份額正在不斷擴(kuò)大。齒輪箱作為連接發(fā)電機(jī)與葉輪的關(guān)鍵部件，運(yùn)行壽命及其可靠性逐漸成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)問題。疲勞失效對承受循環(huán)載荷或波動(dòng)載荷作用的機(jī)械零部件或系統(tǒng)的壽命及運(yùn)行可靠性產(chǎn)生決定性作用［1］。因齒輪接觸疲勞失效導(dǎo)致的裝備事故屢見不鮮，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，齒輪箱失效約占風(fēng)電機(jī)組故障的14.5%，而疲勞失效占零件損壞的50%～90%［2］。鑒于以上分析，從風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪接觸疲勞入手，對齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評估和預(yù)測，在運(yùn)行維護(hù)方面具有一定的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

齒輪作為風(fēng)力機(jī)重要的零部件，由于故障機(jī)理復(fù)雜，難以進(jìn)行大量壽命實(shí)驗(yàn)，其可靠性評估與診斷給諸多學(xué)者帶來巨大挑戰(zhàn)。在考慮具體運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)上，對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和疲勞壽命問題，國內(nèi)外學(xué)者分別從不同角度對其進(jìn)行研究。Hanson等［2］從接觸疲勞出發(fā)，采用混合模態(tài)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律估計(jì)裂紋擴(kuò)展壽命，并用實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與計(jì)算推導(dǎo)進(jìn)行驗(yàn)證。但此種方法主要針對含裂紋狀態(tài)的極限情況，難以對大型設(shè)備產(chǎn)生通用性。黃洪鐘等［3］提出一種強(qiáng)度隨時(shí)間衰減退化的零件疲勞壽命可靠性分析方法，證實(shí)了強(qiáng)度衰減退化可靠性分析模型的可行性。安宗文等［4］利用Copula函數(shù)建立考慮零件和系統(tǒng)之間失效相關(guān)性的模型，為機(jī)械系統(tǒng)失效相關(guān)條件下的可靠性分析提供了理論依據(jù)。但上述方法對設(shè)備運(yùn)行環(huán)境及外部隨機(jī)載荷考慮較少，難以與實(shí)際工況結(jié)合。為此，秦大同等［5］通過最小二乘支持向量機(jī)的方法模擬風(fēng)速模型，以動(dòng)力學(xué)模型和應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性。魏靜等［6］基于Copula函數(shù)確定齒輪接觸與彎曲失效的相關(guān)性，將剩余強(qiáng)度模型和應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論相結(jié)合，引入改進(jìn)的預(yù)測模型來評估齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的剩余強(qiáng)度。張秀華等［7］基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對齒輪的接觸疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測。Li等［8］為確保在風(fēng)載荷和齒輪制造不確定性下的目標(biāo)可靠性，開發(fā)了基于可靠性的風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的集成計(jì)算框架。劉根伸等［9］通過對動(dòng)態(tài)疲勞可靠性靈敏度的模型進(jìn)行優(yōu)化，將其用于預(yù)測風(fēng)力機(jī)齒輪傳動(dòng)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，為可靠性預(yù)測提供了一定參考。文獻(xiàn)［2-9］分別從不同角度對疲勞可靠性進(jìn)行考量，但對于退化因素和載荷變化考慮較少或需要龐大的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為支撐。

基于以上分析，本文在充分考慮隨機(jī)載荷與材料強(qiáng)度退化的基礎(chǔ)上，以新疆達(dá)坂城風(fēng)電場2 MW變速風(fēng)力機(jī)行星齒輪系統(tǒng)為研究對象，建立其動(dòng)力學(xué)分析模型，考慮實(shí)際運(yùn)行環(huán)境選用Weibull分布描述風(fēng)場風(fēng)速特性，考慮非線性疲勞累積損傷，在應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型的基礎(chǔ)上建立動(dòng)態(tài)可靠度功能函數(shù)對風(fēng)力機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠度及其指標(biāo)進(jìn)行估算。

1 行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.1 齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立

根據(jù)已知參數(shù)，運(yùn)用三維建模軟件UG建立精確的齒輪副三維模型，采用集中質(zhì)量法完成傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的創(chuàng)建。本文中風(fēng)力機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)采用常見的行星齒輪傳動(dòng)，以行星架和太陽輪分別作為傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入端和輸出端，內(nèi)齒圈固定。該模型采用3個(gè)行星輪進(jìn)行載荷的承擔(dān)和功率的分流，圖1為齒輪箱結(jié)構(gòu)及其簡圖，其中Tin為輸入端轉(zhuǎn)矩，Tout為輸出端轉(zhuǎn)矩，本文主要針對行星級傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

本文中風(fēng)力機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)形式為一級NGW行星傳動(dòng)加兩級定軸斜齒輪傳動(dòng)?？紤]齒輪的綜合嚙合誤差，將齒輪間嚙合的時(shí)變剛度用線性彈簧來模擬，通過集中質(zhì)量法建立風(fēng)力機(jī)行星傳動(dòng)系統(tǒng)平移-扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。對該動(dòng)力學(xué)模型中各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)行定義，分別定義坐標(biāo)系X、Y方向?yàn)橄到y(tǒng)的正方向，特別規(guī)定以齒輪嚙合彈性變形的正方向?yàn)閴毫ψ饔梅较?，?guī)定系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)矩方向?yàn)檎较?。行星架與太陽輪在平移和扭轉(zhuǎn)方向上的位移［10］分別如圖2中[xi，yi，ui]（i=s，c）所示，行星輪在平移和扭轉(zhuǎn)方向上的位移分別用[ηj，ξj，uj]（j=1，2，3）表示。太陽輪、行星架和內(nèi)齒圈在[x]方向的支撐剛度分別用[ksx，kcx，krx]表示，在[y]方向的支撐剛度分別用[ksy，kcy，kry]表示；行星輪在[η，ξ]方向上的軸承支撐剛度分別用[kpnη，kpnξ]（n=1，2，3）表示；行星輪與太陽輪間的嚙合剛度、行星輪與內(nèi)齒圈之間的嚙合剛度分別用[kspi，krpi]（i=1，2，3）表示；太陽輪、行星輪和內(nèi)齒圈的扭轉(zhuǎn)剛度分別用[ksu，kcu，kru]表示。

在負(fù)載作用下，對所建立的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，獲得太陽輪與行星輪、行星輪與內(nèi)齒圈之間的嚙合力-時(shí)間歷程，可看出，在恒負(fù)載作用下，該嚙合力呈周期性波動(dòng)。

2 隨機(jī)風(fēng)載下系統(tǒng)載荷的計(jì)算

2.1 隨機(jī)風(fēng)速模型建立

外界風(fēng)速的隨機(jī)變化對風(fēng)力機(jī)齒輪箱輸入端轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生決定性影響，因此風(fēng)速的變化對齒輪箱可靠性產(chǎn)生的影響不容忽視，建模中風(fēng)速的模擬應(yīng)盡可能逼近自然風(fēng)的特性。根據(jù)風(fēng)速實(shí)測數(shù)據(jù)建立高斯風(fēng)速Weibull分布［12］函數(shù)模型，通過統(tǒng)計(jì)分析，編程實(shí)現(xiàn)對風(fēng)速的模擬。其分布函數(shù)和概率密度函數(shù)分別為：

通過對風(fēng)速數(shù)據(jù)的求解，分別取[E（v）]表示隨機(jī)風(fēng)的均值，取[D（v）]表示隨機(jī)風(fēng)的方差。根據(jù)測得的年風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)擬合計(jì)算得出年平均風(fēng)速為7.2 m/s，方差為4.2 m2/s2，根據(jù)統(tǒng)計(jì)矩法由式（5）、式（6）可求得尺寸參數(shù)[c]=7.84，形狀參數(shù)[k]=3.9。風(fēng)速數(shù)據(jù)每隔15分鐘計(jì)數(shù)一次，為簡化顯示，截取部分時(shí)間（天）的數(shù)據(jù)如圖4所示。實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速或高于切出風(fēng)速時(shí)，由于風(fēng)力機(jī)保護(hù)機(jī)制，停止運(yùn)行。

根據(jù)氣象站資料顯示，達(dá)坂城地區(qū)氣候較穩(wěn)定，災(zāi)害天氣較少，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全年風(fēng)速呈階段性分布，5月份風(fēng)速較大，11—3月份風(fēng)速偏小變化趨勢如圖5所示。根據(jù)實(shí)際風(fēng)能利用情況，去除不能被利用的風(fēng)速，根據(jù)實(shí)測瞬時(shí)風(fēng)速值將其進(jìn)行頻域分析，如圖6所示。風(fēng)頻分布基本符合Weibull分布，說明本例采用高斯特性的函數(shù)模型分析實(shí)測風(fēng)速具有一定的可行性。

2.2 系統(tǒng)外部隨機(jī)風(fēng)載激勵(lì)

該系統(tǒng)中隨機(jī)風(fēng)速采用雙參數(shù)Weibull模型進(jìn)行模擬，并將其引起的時(shí)變載荷作為該系統(tǒng)的外部激勵(lì)。由空氣動(dòng)力學(xué)［5］相關(guān)理論計(jì)算系統(tǒng)的系列值為：

2.3 齒輪接觸動(dòng)應(yīng)力

外部風(fēng)載通過輸入轉(zhuǎn)矩形式的載荷作用于風(fēng)力機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的嚙合力變化歷程通過仿真得到，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)力-時(shí)間歷程可通過準(zhǔn)靜態(tài)法［14-15］獲得：

對式（12）中涉及的各項(xiàng)參數(shù)分布類型采用Monte Carlo方法隨機(jī)抽樣，并采用K-S方法進(jìn)行檢驗(yàn)，通過上述分析流程，可近似得到齒輪接觸疲勞強(qiáng)度服從[δ～N]（720，752）。

根據(jù)風(fēng)力機(jī)齒輪系統(tǒng)的主要失效形式，在計(jì)算可靠度的過程中主要針對由齒面點(diǎn)蝕引起的接觸疲勞進(jìn)行建模分析。在進(jìn)行壽命預(yù)測之前，首先要確定其所承受應(yīng)力的概率分布形式，通過模擬太陽輪與行星輪疲勞應(yīng)力-時(shí)間歷程，擬合得到應(yīng)力分布形式。在應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型的基礎(chǔ)上，引入概率函數(shù)，建立隨機(jī)載荷作用下傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性模型。

3 齒輪箱動(dòng)態(tài)可靠性建模

傳統(tǒng)的可靠性評估模型均以應(yīng)力和強(qiáng)度概率分布已知為前提條件，以應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論為可靠性評估的計(jì)算依據(jù)，直接將其進(jìn)行積分來計(jì)算可靠性指標(biāo)，實(shí)際服役期間零件受到的載荷往往是隨機(jī)且反復(fù)多次的，因此應(yīng)當(dāng)把可靠度和失效率考慮為時(shí)間的函數(shù)。本文結(jié)合傳統(tǒng)應(yīng)力-強(qiáng)度［14，16］理論，通過上述建立的風(fēng)速模型，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)量函數(shù)和概率微分方程建立隨機(jī)載荷作用下零件的動(dòng)態(tài)可靠性模型。

在工程中，由于強(qiáng)度和載荷（應(yīng)力）并不是一個(gè)固定的值，如圖8所示，隨著服役時(shí)間的增加，材料的強(qiáng)度逐漸發(fā)生退化，隨著載荷歷程的變化以及載荷的累積效應(yīng)，系統(tǒng)強(qiáng)度[r（t）]的大小與作用載荷[s（t）]的相對關(guān)系隨服役時(shí)間不斷發(fā)生變化，當(dāng)強(qiáng)度和應(yīng)力的相對關(guān)系為[r（t）-s（t）gt;0]時(shí)，系統(tǒng)處于安全狀態(tài)；當(dāng)兩者處于干涉區(qū)域，即：[r（t）-s（t）≤0]，零件（材料）存在失效的可能，其可靠性隨著載荷的作用次數(shù)（時(shí)間）發(fā)生變化。

研究疲勞損傷累計(jì)理論大多采用Miner線性損傷理論，但實(shí)際工況中載荷的加載次序以及載荷間的相互作用，都會(huì)對材料的累計(jì)損傷造成影響，并非服從線性累計(jì)，由此參考非線性疲勞累計(jì)損傷理論［4，16］建立剩余強(qiáng)度模型。

由于上述模型研究對象局限，為獲得待定參數(shù)c的準(zhǔn)確值，需對齒輪材料進(jìn)行一定的破壞性實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)實(shí)中由于機(jī)械設(shè)備齒輪造價(jià)較高、體積較大等各種制約性因素，使得無法對其進(jìn)行大量破壞性實(shí)驗(yàn)，制約了其在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

方義慶等［19］基于非線性損傷理論，通過試樣測試確定損傷變量參數(shù)，得出金屬材料非線性累積疲勞損傷量[D]如式（16）所示，當(dāng)循環(huán)載荷的作用次數(shù)n=0時(shí)，認(rèn)為材料不發(fā)生疲勞損傷，此時(shí)[D]=0；當(dāng)循環(huán)載荷的作用次數(shù)（服役時(shí)間）與該材料的疲勞壽命[Nf]相等時(shí)，將此時(shí)的疲勞損傷值[D]定義為1。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

本實(shí)例相關(guān)參數(shù)如下：風(fēng)場平均風(fēng)速7.2 m/s，風(fēng)能利用系數(shù)0.25，葉輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速12 r/min，行星傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪的參數(shù)如表2所示。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)受風(fēng)力負(fù)荷作用，此負(fù)荷變化極大，通常齒輪采用抗低溫沖擊、韌性高的滲碳淬火材料。一級行星加兩級平行軸傳動(dòng)，行星齒輪機(jī)構(gòu)中太陽輪和行星輪的材料為17CrNiMo6［20］，內(nèi)齒圈的材料為20CrMnMo［12］。相關(guān)材料參數(shù)如表3所示。

材料的S-N曲線一般根據(jù)對稱循環(huán)應(yīng)力得到，而根據(jù)S-N曲線估算風(fēng)力發(fā)電機(jī)的疲勞壽命時(shí)，需考慮其所受的非對稱循環(huán)應(yīng)力的影響。在對疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算時(shí)考慮到有效應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)[ε]及表面加工系數(shù)β等參數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響，在對疲勞壽命進(jìn)行估算時(shí)需對材料的P-S-N曲線［13］進(jìn)行參數(shù)修正，求解時(shí)選取合適參數(shù)，其中有效應(yīng)力集中系數(shù)取值為1.0，表面加工系數(shù)取值為0.95，尺寸參數(shù)取值為0.95，結(jié)合《機(jī)械工程材料數(shù)據(jù)手冊》［21］中有關(guān)材料P-S-N曲線的相關(guān)描述，對存活率為95%的S-N曲線進(jìn)行修正。

由外部隨機(jī)風(fēng)載模型經(jīng)擬合得到齒輪副之間的接觸應(yīng)力-時(shí)間歷程，對求解所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到接觸應(yīng)力隨時(shí)間的變化過程如圖10所示，幅值統(tǒng)計(jì)量如圖11所示。

將由以上過程統(tǒng)計(jì)得到的剩余強(qiáng)度以及載荷分布進(jìn)行正態(tài)化處理，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可靠度R和可靠度指標(biāo)β可通過攝動(dòng)法進(jìn)行求解，求解所得曲線分別如圖12、圖13所示。

本文以工程中隨機(jī)風(fēng)載作用下由齒面點(diǎn)蝕引起的接觸破壞作為風(fēng)力機(jī)齒輪箱主要失效形式，并以此引起的接觸疲勞破壞作為可靠度的計(jì)算指標(biāo)。由圖12、圖13的結(jié)果可知，風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)中各齒輪疲勞可靠度指標(biāo)在服役前期始終呈下降趨勢，其可靠度也隨著使用時(shí)間的增加而逐漸降低，且太陽輪隨著時(shí)間的增加減小的速度較快，在設(shè)計(jì)工作期（20 a）內(nèi)通過建立的可靠度模型計(jì)算得出太陽輪、行星輪和內(nèi)齒圈的可靠度值分別為0.9452、0.9658、0.9749。

觀察圖12、圖13后發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷了服役前期的迅速下降后，中后期階段無論是可靠度還是可靠度指標(biāo)都進(jìn)入一個(gè)相對穩(wěn)定的過程，減小的趨勢不明顯?；谝陨戏治?，說明齒輪系統(tǒng)的可靠性對風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性影響不容忽視。

5 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)可靠度預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，建立基于剩余強(qiáng)度的可靠性預(yù)測方法，并引入達(dá)坂城風(fēng)場數(shù)據(jù)及設(shè)備對模型進(jìn)行理論分析和驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1）考慮隨機(jī)風(fēng)載對可靠性的影響，將由隨機(jī)風(fēng)速引起的外部隨機(jī)載荷與動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合，更加準(zhǔn)確地描述風(fēng)力機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況，使動(dòng)載荷更具有工程實(shí)際。在設(shè)計(jì)工作期（20 a）內(nèi)通過建立的可靠度模型計(jì)算得出太陽輪、行星輪和內(nèi)齒圈的可靠度值分別為0.9452、0.9658、0.9749。

2）相比于文獻(xiàn)［16］，本文將非線性累積損傷理論與傳統(tǒng)可靠度計(jì)算模型相結(jié)合，使可靠性模型更加嚴(yán)謹(jǐn)。對模擬測試結(jié)果進(jìn)行分析，得到齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)各齒輪接觸疲勞可靠度，從高到低依次為：內(nèi)齒圈、太陽輪、行星輪。結(jié)合文獻(xiàn)［12，17］，說明本方法針對于其他功率和傳動(dòng)形式的風(fēng)力機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)同樣具有一定的適用性。

3）齒輪系統(tǒng)在前10 a的服役期內(nèi)可靠度隨時(shí)間降低的速度比中后期階段降低的速度快，內(nèi)齒圈、行星輪、太陽輪在服役10 a后疲勞可靠度值分別降為0.9828、0.9766、0.9683，相比于初始值分別降低1.70%、2.07%、3.02%。隨著服役時(shí)間進(jìn)入中后期，系統(tǒng)的可靠度變化趨勢進(jìn)入了相對穩(wěn)定的階段。根據(jù)預(yù)測結(jié)果可得出齒輪接觸疲勞強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律，為齒輪箱后期的運(yùn)行維護(hù)提供一定的參考。

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RESEARCH ON RELIABILITY OF GEAR TRANSMISSION SYSTEM OF WIND TURBINE BASED ON DYNAMICS

Lu Zhicheng1，Zhou Jianxing1，Cui Quanwei1，Wen Jianmin1，2，F(xiàn)ei Xiang1

（1. School of Mechanical Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830047， China；

2. Golden Wind Technology Co.， Ltd.， Urumqi 830026， China）

Abstract：To evaluate the contact fatigue life of the gear transmission system， the gear transmission system of the 2 MW wind turbine was studied. The random wind speed model was established by introducing the wind speed variation law and using the Weibull distribution. Considering the external wind load and the internal load excitation caused by gear and bearing stiffness， the translation-torsional dynamic model of the planetary gear transmission system was established. The dynamic meshing force and the corresponding stress of each gear pair of the transmission system was calculated. According to the characteristics of gear transmission strength and randomness of load， the fatigue effect was characterized by strength degradation of gear teeth， and the residual strength model was established based on nonlinear fatigue damage accumulation theory. On the basis of traditional stress-strength interference theory， the dynamic reliability function of gear transmission system under random wind load was obtained. The dynamic reliability curve of parts was described by perturbation method. The results show that： under the combined action of strength degradation and random load， the fatigue reliability of each gear of wind turbine system gradually decreases with the service time， and the reliability decreases rapidly in the early stage of service， and gradually slows down in the middle and later stages of service. The strength degradation form and load size affect the trend of the reliability. The model reflects the variation of the reliability of the gear transmission system with the service time， and provides a reference for the reliability design and fatigue life prediction of products.

Keywords：wind turbines； fatigue damage； dynamic reliability； fatigue life； gear drive

收稿日期：2022-05-26

基金項(xiàng)目：自治區(qū)自然科學(xué)基金（2021D01C050）；新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021B01003-1）；國家自然科學(xué)基金（51665054）

通信作者：周建星（1982—），男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、機(jī)械故障診斷方面的研究。jianzhou82923@163.com