多平行轴斜齿轮转子系统耦合振动分析与计算

将传悦，高玉峰

(吉林石化公司动力一厂，吉林 吉林 132000)

多平行轴斜齿轮转子系统耦合振动分析与计算

将传悦，高玉峰

(吉林石化公司动力一厂，吉林 吉林 132000)

风电产业的迅速发展对风力发电机组齿轮箱运行的稳定性和高效性提出了很高的要求，为了降低由于振动导致的齿轮箱故障，提高机组工作的可靠性，需要探求降低齿轮箱故障的有效途径。文章以齿轮转子动力学为理论依据，以改变齿轮转子系统固有频率为目的，结合风力发电机组高速传动系统的实例，运用有限元方法，模拟齿轮转子系统在耦合与非耦合情况下的动态振动过程，计算系统的各阶模态值；研究改变系统元件的几何参数对系统固有频率的影响；提出改变系统固有频率避免共振的有效途径，并以风力发电机组的两级平行轴齿轮转子系统来验证方法的可行性。

风力发电机组；齿轮箱；振动

1 概述

风力发电机组中的齿轮传动系统多采用一级行星传动和二级平行斜齿传动的混合传动，齿轮箱故障集中体现在斜齿轮传动系统，在此，对二级斜齿轮转子系统的动力学特性进行研究。文章在两平行轴斜齿轮转子系统动力学分析的基础上，对某风力发电机齿轮箱二级斜齿轮转子系统进行动力学分析，研究系统耦合与非耦合情况下的动力学特性，并检验齿宽减小对系统固有频率的影响。以某风力机二级斜齿轮转子系统为例，系统的结构参数如表1所示。

表1 系统结构参数 mm

材料属性为：杨氏弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，材料密度ρ=7.8×103kg/m3。

2 多平行轴斜齿轮转子系统耦合振动分析与计算

（1）二级平行轴斜齿轮转子系统有限元模型的建立。对模型进行划分网格和施加约束条件，结果如图1、图2所示。

图1 二级平行轴斜齿轮转子系统网格划分结果

图2 二级平行轴斜齿轮转子系统加载结果

（2）二级斜齿轮转子系统耦合情况下的模态解。二级斜齿轮转子系统耦合后的模型如图3所示。耦合后系统产生一些新频率，1阶耦合产生的新频率：高速轴的主振动是转动，低速系统的主动齿轮和被动齿轮的主振动是转动；2阶耦合产生的新频率：低速系统主、被动齿轮的主振动是扭转振动，低速轴的主振动是转动；6阶耦合产生的新频率：高速主动轮的主振动是弯扭振动；8阶耦合产生的新频率：高速系统小齿轮轴的主振动是扭转振动，主动大齿轮的主振动是弯曲振动；14阶耦合产生的新频率：高速系统小齿轮轴的主振动是弯扭振动，主动大齿轮的主振动是弯扭振动；15阶耦合产生的新频率：高速系统小齿轮轴的主振动是弯扭振动，主动大齿轮的主振动是周向对折振动。

图3 二级斜齿轮转子系统耦合后的模型

（3）非耦合情况和耦合情况下计算频率的比较和分析。通过对二级平行轴斜齿轮转子系统耦合与非耦合情况的固有振动特性的计算与分析，得出如下结论：①耦合情况下的计算结果与非耦合情况下的计算结果比较可知，耦合情况下，系统有新的频率产生。这是由于耦合系统和非耦合系统的不同，因而会产生新频率。②新产生的频率，其振动形态较为复杂，由每个轴各自的振动组合而成。③有些频率在耦合后略有变化，这是因为在耦合的系统中，主振动仍是耦合前的振动，只是因为系统的耦合，这些振动受到影响。④耦合对系统低频影响较大，而对高阶频率的影响相对较小。

（4）齿宽变化对系统固有频率的影响。在原有参数及模型的基础上，改变斜齿轮转子系统齿宽大小，将小齿轮的齿宽变为90mm，大齿轮的齿宽变为85mm，其它参数保持不变，计算耦合系统的固有频率，对比结果如图4所示，结果发现，改变齿宽对系统的低阶固有频率影响显著，通过减小齿宽来改变系统固有频率的方法是可行的。

图4 齿宽减小对系统的固有频率的影响

3 结语

耦合系统的主振动多发生在高速传动系统，而且对于直径较大，宽度较小即宽径比小的圆板型齿轮，齿轮的伞振和板振对系统的影响是不容忽视的，这也是风力发电机组的齿轮箱高速端频繁出现故障的原因之一；大齿轮耦合产生的振动通过啮合传递给小齿轮，小齿轮的工作转速很高，如果受到内外激励的冲击作用，很容易造成材料的破坏，因而断齿多发生在传动系统的高速小齿轮部位。运用“减小齿宽对系统固有频率的改变比较显著”的原理来验证齿宽减小对二级斜齿轮转子系统固有频率的影响，减小齿宽对改变系统固有频率的方法是显著的。

Analysis and Calculation on Couple Vibration of M ulti-stage Geared Rotor System

JIANG Chuan-yue，GAO Yu-feng
（No.1 Power Plant of Jilin Petrochemical Company，Jilin，Jilin 132000，China）

The rapid developmentof thewind power industrymakesahigher request for the stability and efficiency ofawind turbinegearboxoperation.In order to reduce faultsin thegearbox caused by thevibration and improve theworking reliabilityofthe unit，itisnecessary toexplore theeffectivewaysto reduce thegearbox faults.Thearticle，taking thedynamic ofgear-rotorsystem as the theoreticalbasis，aimingatchanging thenatural frequency of thegeared rotorsystem，calculates themodalvalueof the system by adopting the finite elementmethod，simulates the dynamic vibration of the geared rotorsystem underboth coupling and noncoupling condition.Italso studies the influence exerted by the change in the geometric parameters of system componentson the natural frequency of the system and puts forward the effective ways to change the natural frequency of the system to avoid resonance，soastoverify the feasibilityofthemethod through the two-stagegeared rotorsystem oftwowind turbines.

wind turbine；gearbox；vibration

TH132.41

A

2095-980X(2016)08-0043-02

2016-07-14

将传悦（1986-），男，工程师，主要研究方向：现代设计方法与技术专业研究。