第 1 章 绪 论
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内外技术研究现状
风力发电机组技术的发展经历了由多种结构形式逐步向少数几种过渡的过程。20 世纪 80 年代初期，市场上有上风向式和下风向式，风轮主轴有水平的和垂直的；风轮叶片数有三个、两个、甚至一个的；叶片材料有木头的和玻璃钢的。发展到目前阶段，风力机的主流结构形式为：水平轴、上风向、三叶片、变桨距风轮、变转速发电机、有齿轮箱和无齿轮箱[3]。风力发电机组的整体技术正向单机大容量、单位容量低自重、高效率（微风发电）、高稳定性、电能质量高、高可靠性、智能化、低成本、海上风机等方向发展：1）单机大容量。这样可以提高风能利用率，减少并网和单位功率的价格。现在国内主流机型是 1.5MW 风力发电机组，国外主流机型为 1.5-2.0MW 风力发电机组。现在国内外都在研发自己的大风机。国外已经生产的 3.0 以上大风力机统计如下：Vestas:3.0MW；Gamesa:4.5MW；GE: 4.5MW；Enercon：4.5MW,6.0MW,7.5MW；Siemens: 3.0MW,3.6MW； Repower: 3.4MW,5.0MW,6.1MW；Alston:3.0MW； Mutibrid: 5.0MW； Bard: 5.0MW； Win Wind: 3.0MW[4]；2）采用独立变桨距和变速恒频技术。这种技术已逐渐被广泛应用，可以大大提高风能利用率，提高电能质量，减少电机质量；3）出色的低压穿越能力、较少的谐波污染和较高的电压稳定性。风电不稳定性带给电网的冲击以及电力调度的容量逐渐达到电网能够消化的极限，促使新机型必须具备这三方面的能力；4）海上风电。陆地上可开发建设风电场的土地逐渐开发殆尽，促使单机大功率海上风电的快速发展；5）智能化控制和智能电网技术。采用先进的智能控制方法，有效规避发电系统的参数时变与非线性因素。智能电网技术能优化电网调度、合理配置各种电源出力、增强电网的抗故障能力，减少风电对电网的影响；6）更高效、更可靠的机械传动系统技术。双馈式变速恒频技术随着技术的发展也变得更稳定和可靠。直驱省去了齿轮箱，运行和维修费用明显降低，可靠性相应增加，减少了机械损耗。而发电机体积较大，成本较高。半直驱技术集合了双馈技术与直驱技术的优点，摒弃了两个的缺点，是风机技术发展的大趋势。
1.2.2 国内外理论研究现状
风力发电机组动力学问题是涉及多方面动力学因素耦合的综合性问题，包括结构动力学、空气动力学、系统动力学等。随着风力机动力学研究的逐步深入，有关这方面的研究成果不断涌现。以下是风力机动力学发展的现状：Friedmann[9]从直升机气动弹性问题出发，对无铰链转子给予特别关注，建立了无铰链风轮转子塔架系统动力学模型。Miller[10]采用半刚性模型研究了转子桨叶的气动弹性稳定性。Chopra[11]采用半刚性模型，应用拉格朗日方程，推倒出非线性运动方程。Bauchay[12]应用的有限元模型有 5 节点15 自由度，同时考虑了桨叶的挥舞、摆振、扭转和轴向运动。这种有限元模型可以广泛地应用于各种旋转桨叶的动力学分析，尤其是对无铰式桨叶和材料各向异性等复杂桨叶。除了对叶片的动力学进行了深入广泛的研究外，传动系统的研究也备受关注。从国外对风电增速箱的研究成果看，从上世纪 80 年代初就在学术和研究上开始对增速箱的动态理论和特性进行了深入和细化的研究。随着虚拟仿真技术发展，风电增速箱的设计、制造技术、增速箱的稳定性和可靠性有了很大的提高。RayJ.Hicks Mbe[13]等通过使用柔性销和高速轴上采用差动轮系等方法分别实现了各个行星轮载荷均布，减小发电机转矩对传动系统的影响。S.Y.Poon[14]对风力发电机组增速箱行星轮载荷不均匀、行星轮相位对行星轮系传递误差的影响进行了研究。Kiracofe 和 Parker[15]通过一个符合动力学模型研究了多级行星齿轮的自由振动并认为多级行星齿轮在具有相同结构情况下其振动具有高度的一致性。T.C.Lim和 R.Singh[16]基于滚动轴承滚子几何学和 Hertzian 接触理论建立了较为精确的滚子轴承数学模型，提出了在已知外在载荷情况下计算滚动轴承刚度的数值算法，并将滚动轴承的刚度耦合到由轴—滚动轴承—轴承座—箱体组成的系统中，并通过研究证明了该模型的有效性和优越性。
虽然中国风电发展起步较晚，但国内学者在近几年也深入开展了对风力机的研究工作。窦秀荣[19]研究了风机的气动性能和结构动力学特性，将机舱简化为质点以及桨叶半刚性模型的近似程度比较大。李仁年[20]对翼型的后缘厚度的对气动性能的影响进行了研究，发现了翼型厚度存在一个临界值。陈严[21]利用有限元法研究了风机桨叶、转子/机舱/塔架耦合系统的动力响应，编写了有效的计算程序，对耦合系统运行稳定性进行了初步的研究。陈严、叶枝全等采用弹簧-质量-阻尼系统结构，建立了风机传动系统的刚性轴模型与柔性轴模型，并对紊流风场作用下的动力学性能进行了仿真计算。重庆大学的王建宏[22]分析了内置主轴式传动系统的动力学模型，并对传动系统的滚动轴承和齿轮的耦合进行研究。
第 2 章 风力机传动系统基本结构....................................6
2.1 引言 .................................................. 6
2.2 风力机传动系统基本结构 ...................................... 6
2.3 拉格朗日方程 ................................. 8
2.4 运动微分方程推导 ............................... 9
2.5 系统动力学方程计算............................ 12
第 3 章 行星传动系统动力学模型..............................14
3.1 引言 .......................................................... 14
3.2 行星架的相对位移................................. 14
3.3 行星机构运动方程的建立 ............................. 15
3.4 行星传动系统的振动模式................................. 18
第 4 章 双馈式风力机传动系统建模...............................21
4.1 引言 ........................................................... 21
4.2 双馈式风力机传动系统 ...................................... 21
4.3 传动系统的动力学模型建模 ................................. 23
第 6 章 总结与展望
6.1 主要结论
风力机的传动系统是风力发电机组的重要组成部分，结构复杂，精度要求较高，且处于变速、高速、变载、重载的运行条件下，其工作环境十分复杂，因此为了保证传动系统可靠性、运行平稳、振动小、噪声低等性能，必须对齿轮系统进行动态特性的研究。由于传动系统的多柔性等复杂性，兆瓦级整机的传动系统的动力学分析在国内还是空白。本文在对多体动力学理论、牛顿第二定律动力学、拉格朗日方程能量法、有限元法及风力发电机组的机理进行研究的基础上，对双馈式风力发电机组的两种传动链模型建模方法和模型分析及两种传动链下的主轴结构静力学和动力学进行研究，取得了以下研究成果：
1）简化传动系统为梁单元，用拉格朗日能量法推导梁单元的微分方程。简化轴与齿轮之间的关系，利用单元的变化推导出轴系的局部坐标的相对关系，建立轴系的局部坐标与广义坐标的数学位移关系。推导出直齿行星齿轮的啮合过程中的受力变形情况，得到在广义坐标下的变形数学表达方程。用牛顿第二定理建立了行星传动系统的平移扭转动力学模型，为进行振动和动载荷分析提供了基础，分析了几种固有频率下的振动模式。
2）应用拉格朗日方程、弹性动力学分析法及多体动力学等理论，利用集中参数法和有限元法相结合的方法，首次建立三点悬挂式传动系统和四点悬挂式传动系统的动力学模型。建立总体的广义坐标，分析各个零部件的动能和势能。用局部坐标来表示各个零部件的能量公式，最后把局部坐标转化为广义坐标，建立两种传动链的动力学数学模型。使数学模型成为一种模块化式方程，可以随着轴承数目的变化和齿轮啮合对数的变化而随意加减。根据模型得到其固有频率和模态，分析因主轴轴承数目的变化而引起的行星架受力、变形和传动系统的固有频率和模态的变化。所建立的模型表明：从其模态对比来看，三点悬挂式传动系统比较适用于1.5MW风力机。
3)对于复杂的传动系统来说，滚动轴承和齿轮啮合产生的耦合振动效应应该是传动系统的最主要的特征之一。只考虑齿轮啮合，而忽略轴承的变形是不科学的。应将齿轮的啮合刚度的变化和轴承本身弹性变形及支承位置的变化作为主要的研究对象。
参考文献
[9] P. P. Friedmann. Application of the Finite Element Method to Rotary-Wing Aeroelasticity.Journal of the American Helicopter Society, Jan 1980,14(1):102-122
[10] R. H. Miller, J Dugundji, D sheu, J Wendell. Dynamics of Horizontal Axis Wind Turbine.ASRL-TR-184-7,1978
[11] I. Chopra. Non-linear Dynamic Response of a Wind Turbine Blade[J]. Journalsound andVibration,Nov 1978, 30(11):1045-1064..
[12] O. A. Bauchau, Chang-Hee-Hong.Finite Element Approach to Rotor Blade Modeling[J].Energy Conversion and Management, 46 (2005) 1848-1867.
[13] RAY J.HICKS MBE, et al. #p#分页标题#e#/shdxbylunwen/ Optimised Gearbx Design For ModernWind Turbine.2004:NREL/CP-50038126
[14] S. Y. Poon. Design Considerations of Planetary System for Transimission Error Prediciton.UK:Romax Technology Limited, 2006:20-27
[15] D. Kiracofe and R. G. Parker. Structured vibration modes of general compound planetarygear system[J]. ASME Jouranal of Vibration and Acoustics, 2007, 7129:1-16.
[16] P. J. Murtagh, B. Basu, B. M. Broderick. Along-wind response of a wind turbine towerwith blade coupling subjected to rotationally sampled wind loading [J]. EngineeringStructures,2005,27(8):1209-1219.
