風電齒輪箱箱體熱結構特性分析研究

【摘要】： 隨著風力發(fā)電向大功率發(fā)展,對風力發(fā)電機組齒輪箱的可靠性提出了更高的要求。深入研究風力發(fā)電齒輪箱的熱結構特性,對提高齒輪箱傳動的可靠性與使用壽命有重要意義。本文以兆瓦級風力發(fā)電增速齒輪箱為研究對象,運用有限元分析的方法,得到齒輪箱箱體的靜態(tài)特性、箱體和高速級傳動部件的穩(wěn)態(tài)溫度場分布及箱體的熱-結構耦合特性,同時運用Matlab仿真軟件,建立齒輪箱系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱平衡模型,給出齒輪箱內平衡油溫的計算方法。 首先,介紹了有限元靜態(tài)分析理論,針對齒輪箱的結構特點和受載情況,確定合理的箱體有限元分析需加載的邊界條件。對箱體各部件進行三維建模和總體裝配,并導入ANSYS軟件中進行結構靜力學分析。得到額定工況下箱體的應力場和位移場,分析結構的強度和剛度。 其次,根據(jù)傳熱學的穩(wěn)態(tài)傳熱和對流換熱基礎理論,計算齒輪箱的總生熱量和各散熱部件的散熱量,在齒輪箱熱模型簡化的基礎上,利用集總參數(shù)法建立齒輪箱系統(tǒng)產(chǎn)熱與散熱的穩(wěn)態(tài)熱平衡模型,通過Matlab軟件編制求解穩(wěn)態(tài)熱平衡方程的迭代程序,得到箱體內潤滑油溫度隨時間的變化曲線,同時得到齒輪箱系統(tǒng)達到熱平衡狀態(tài)時箱體各壁面的平均溫度和各散熱部件的散熱量。 然后,建立箱體和高速級傳動部件的三維實體模型。結合有限元熱分析和熱-結構耦合分析理論,確定環(huán)境溫度最高、齒輪箱達到熱平衡時的各熱邊界條件,利用ANSYS軟件對齒輪箱系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)熱分析,得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布。對Matlab仿真和有限元計算值與試驗值進行比較,說明本文對齒輪箱系統(tǒng)的熱分析方法是正確的。在此基礎上,對箱體進行熱-結構耦合分析,得到箱體在熱和結構載荷共同作用下的變形值。提取箱體高速級四個軸承孔的變形值,并計算箱體變形引起軸的平行度誤差。分析箱體變形對傳動系統(tǒng)嚙合齒向誤差的影響,為計算高速級傳動齒輪的嚙合齒向總誤差提供理論依據(jù)。 最后,分析潤滑油粘度變化對高速級軸承生熱量和軸承外圈溫升值的影響。 【關鍵詞】：風電齒輪箱 有限元力法 結構分析 熱特性 溫度場分布
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TM315
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-16
• 1.1 課題來源9
• 1.2 國內外研究概況及發(fā)展趨勢9-14
• 1.2.1 箱體強度計算的研究概況10-11
• 1.2.2 齒輪箱熱特性的研究現(xiàn)狀11-14
• 1.3 研究意義14-15
• 1.4 本文主要研究內容15-16
• 2 結構、熱分析及有限元方法理論基礎16-23
• 2.1 結構分析基礎理論16
• 2.2 傳熱學基礎知識16-20
• 2.2.1 傳熱過程理論17-18
• 2.2.2 熱傳導理論18-20
• 2.3 有限元方法20-22
• 2.3.1 ANSYS軟件介紹20-21
• 2.3.2 ANSYS中相關單元的有限元原理21-22
• 2.4 本章小結22-23
• 3 齒輪箱箱體結構分析23-39
• 3.1 結構分析基礎理論23
• 3.2 齒輪箱結構特點和傳動系統(tǒng)力學分析23-30
• 3.2.1 箱體結構特點和邊界條件的處理23-26
• 3.2.2 齒輪箱傳動系統(tǒng)力學分析26-30
• 3.3 箱體結構有限元分析30-37
• 3.3.1 有限元模型的建立30-31
• 3.3.2 約束邊界的處理和載荷施加31-33
• 3.3.3 有限元計算結果33-37
• 3.4 本章小結37-39
• 4 風電齒輪箱熱平衡分析39-52
• 4.1 風電齒輪箱產(chǎn)熱量和散熱量分析39-44
• 4.1.1 齒輪箱產(chǎn)熱量的計算39-41
• 4.1.2 齒輪箱散熱量的計算41-44
• 4.2 齒輪箱傳熱分析44-46
• 4.3 齒輪箱傳熱計算46-51
• 4.3.1 箱體傳熱面積和對流換熱系數(shù)的計算46-48
• 4.3.2 箱內平衡油溫和各部分平衡溫度計算結果48-49
• 4.3.3 箱體內油溫變化曲線49-51
• 4.4 本章小結51-52
• 5 齒輪箱熱特性的有限元分析52-66
• 5.1 ANSYS在熱分析中的應用52-53
• 5.1.1 ANSYS熱分析的基本原理52-53
• 5.1.2 ANSYS熱分析的步驟53
• 5.2 齒輪箱有限元分析模型53-54
• 5.3 施加載荷的確定54-56
• 5.3.1 主軸承生熱量的計算54
• 5.3.2 系統(tǒng)熱邊界條件的確定54-56
• 5.4 齒輪箱穩(wěn)態(tài)熱分析56-59
• 5.5 潤滑油粘度對軸承溫升的影響59
• 5.6 箱體熱-結構耦合分析59-65
• 5.6.1 箱體熱結構有限元計算59-61
• 5.6.2 箱體變形分析61-65
• 5.7 本章小結65-66
• 結論66-68
• 參考文獻68-71
• 附錄 A 空間幾何因素引起的f_b的計算方法71-72
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學術論文情況72-73
• 致謝73-74

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