耦合振动对传动系统影响的仿真研究
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风力 机 的稳 定 性和可 靠性 ，本 文对 风力 机整 机进 行 刚
柔耦 合 动力学 仿真研 究 。
１ 多 刚体 多 柔 体 系 统 动 力 学 分 析 原 理
１ １ 刚体 动 力 学 方程 的 建 立 ．
１一叶 片 ；２一轮 毂 ；３一机 舱 内框 架 ；４一叶 轮 轴 与 主 轴连 接 ； ５一主 轴 ；６一齿 轮 箱 ；７一刹 车 盘 ；８一发 电 机 的连 接 ；
９一发 电 机 ；１ ０一散 热 器 ；１ １一冷 却 风 扇 ；１ ２一风测 量 系统 ；
由拉格 朗 日乘 子法 建立 方程 ：
（ ） ＋ ＋ｇ ＝ Ｑ 。 … … … … （） １
１ ３一控 制 系 统 ；ｌ ４一液 压 系 统 ；１ ５一偏 航 驱 动 ；ｌ ６一偏 航 轴 承 ；
系 统 进 行 仿 真 测 试 并 进 行 动 力 学 分 析 成 为 有 效 的 研 究 方法 之一 。
大型 风力发 电机 组基 本上 都 为水平 轴式 ，包 括叶 片 、轮毂 （ 叶片合 称 叶轮 ） 与 、机 舱 罩 、增 速齿 轮 箱 、
发 电机 、塔架 、机 舱 基 座 （ 称 机 舱底 盘 ） 又 、控 制 系 统 、制动 系统 、偏 航 系 统 、变 桨 系统 、液 压 装 置 等 。 水平 轴式 大型 风力发 电机 组 传动 系 统结 构 简 图如 图 １
ｌ 机 舱 盖 ；ｌ ７一 ８一塔 架 ；１ ９一桨 叶 连 接
完 全 约 束 ： ｑ ｔ ＝０ ； ，）
图 １ 大 型 风 力 发 电 机 组 传 动 系 统 结 构 筒 图
非完 全约 束 ： （ ， ＝０ 。 ， ｑ ，）
收稿 日期 ：２ １ － ２ ６ ０ ０ １ — ；修 回 日期 ：２ １ ・ ２ ｌ ０ １０ ・３
Ｕ 和 多体 动 力 学 仿 真 工 具 ＭＳ ． Ｄ ＭＳ建 立 了 ７ ０ｋ 风 力 机 组 系 统 多 刚 体 模 型 ， 对 故 障 率 较 高 的 齿 轮进 Ｇ ＣＡ Ａ ５ Ｗ 行 啮 合 力 仿 真 分 析 ，对 齿 轮 箱故 障进 行 了 预测 。
关键 词 ：耦 合 振 动 ；多 刚体 系统 ；动 力 学 分 析 ；仿 真 中 图 分 类 号 ：Ｔ １ ． Ｈ１ ３ １： Ｔ ３ １ ９ Ｐ ９ ． 文 献 标 识 码 ：Ａ
第 ３期 （ 第 １６期 ） 总 ６
２１ ０ １年 ６ 月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭ ＡＴＩ ＯＮ
Ｎｏ ．３
Ｊ ｎ ｕ．
文章 编 号 ：６ ２ ６ １ （ ０ ） ３ ０ ５ ． ３ １７ —４ ３ ２ １ ０ —０７ ０ １
在输 出轴上施加 恒定 的负载转 矩 ４９ ６０ ３Ｎ ・ ｍ来 ７ ５ ｍ 模 拟发 电机对 系统 的转 矩 。为 了使 转 速不 出现 突变 ， 利用 Ｓ Ｅ Ｔ Ｐ函数 使 转 速在 １ｓ内 由 ０增 加 到 １５。 ｓ ３ ／， 其关 系式 为 Ｓ Ｅ （ｉ ｅ ，０ ，１ ３ ｄ 。 Ｔ Ｐ ｔ ，０ ｄ ，１５ ） ｍ
２１ ０ １年 第 ３期
真工 具 ＭＳ ． Ｄ ＭＳ建立 ７ ０ｋ 风 力发 电机 组 系统 ＣＡ Ａ ５ Ｗ
多 刚 体 动 力 学 模 型 ，主 要 包 括 主 轴 、机 舱 、 底 座 、 发
在建立 的刚体 模型输 入轴上施 加一个恒 转速 ，大 小为
１５。 ｓ（ ２ ５ｒｒｉ）来 模 拟传递 到 增速 箱 的转速 ， ３ ／ ２ ． ／ ｎ ａ
耦 合 振 动对 传 动 系 统 影 响 的仿 真研 究
叶剑 锋 ，张 洪 ，鄢金 山
（ 疆农业大学 机械交通 学院，新疆 乌鲁木齐 新 ８０ ５ ） ３ ０ ２
摘 要 ：基 于 ＭＳ ． Ｄ ＭＳ软 件 ，初 步 探 讨 了系 统 动 力 学 模 型 的建 立 及 仿 真 问题 。 主要 利 用 三 维 实体 造 型 工 具 ＣＡ Ａ
所示 。
风能作 为 一种清 洁能 源被 人们所 重 视 ，风力发 电 机是 目前利 用 风能 的主要设 备 。风力 机 在运行 期 间风
向 和 风 速 是 时 刻 变 化 的 ，风 力 机 是 一 个 刚 柔 耦 合 的 多
体 系统 ，工 作环 境极 其恶 劣 ，作用 在风 力机 上的 空气 动力 、惯性 力 和弹性 力 等交变 载荷会 使 系统 产生 变形
或 振 动 ，影 响 风 力 机 的 正 常 运 行 ，严 重 时 会 导 致 风 力
机损 坏 。在 风力 机 工 作 现 场 发 现 ，７ ０ ｋ 机 组 在 启 ５ Ｗ 动 、停机 和风 速较大 时振 动尤 其剧 烈 。机组 系统 的振
动 主要体 现在 叶片振 动 、系统 振动 和塔 架振 动 ３个 方 面 ，而这 ３个方 面 的振动 特征 表现 为耦 合性 。为确 保
１ ２ ７ ０ ｋ 风 力 发 电 机 组 研 究 模 型 的 组 成 ． ５ Ｗ
功率 、高效 、高 速 的复杂机 电设 备越 来越 普及 ，含 间 隙机 械振 动系统 的动 力 学 及 混 沌控 制成 为 研 究 热 点 。 然而 ，机械 结构 的 动力 学 参 数 （ 阻 尼 、 固有 频 率 、 如 机械 阻抗等 ） 尚无 法 用 理 论 公 式 正 确 求 解 ，因 此 对
利 用 三 维 实 体 造 型 工 具 ｕ 和 多 体 系 统 动 力 学 仿 Ｇ
作 者 简 介 ：叶剑 锋 （ ９ ４ ） 男 ， 江 龙 泉 人 ， 读硕 士研 究 生 ， 要 研 究 方 向 ： Ｉ １８．， 浙 在 主 Ｇ Ｓ与 机 电一 体 化 。
动 化
０ 引 言
机 械 振 动 是 机 电设 备 中 常 见 的物 理 现 象 。 随 着 大
其 中 ： 为 机组 系统 的功 能 ； ｑ为系统 广义 坐标 列阵 ； 为 系统广 义速 度列 阵 ； Ｑ为广 义力 列 阵 ； Ｐ为完整 约束
的拉 氏乘 子列 阵 ； 为非完 整 约束 的拉 氏乘子 列 阵 ； ｇ为拉 氏乘 子约束 平衡 函数 。
柔耦 合 动力学 仿真研 究 。
１ 多 刚体 多 柔 体 系 统 动 力 学 分 析 原 理
１ １ 刚体 动 力 学 方程 的 建 立 ．
１一叶 片 ；２一轮 毂 ；３一机 舱 内框 架 ；４一叶 轮 轴 与 主 轴连 接 ； ５一主 轴 ；６一齿 轮 箱 ；７一刹 车 盘 ；８一发 电 机 的连 接 ；
９一发 电 机 ；１ ０一散 热 器 ；１ １一冷 却 风 扇 ；１ ２一风测 量 系统 ；
由拉格 朗 日乘 子法 建立 方程 ：
（ ） ＋ ＋ｇ ＝ Ｑ 。 … … … … （） １
１ ３一控 制 系 统 ；ｌ ４一液 压 系 统 ；１ ５一偏 航 驱 动 ；ｌ ６一偏 航 轴 承 ；
系 统 进 行 仿 真 测 试 并 进 行 动 力 学 分 析 成 为 有 效 的 研 究 方法 之一 。
大型 风力发 电机 组基 本上 都 为水平 轴式 ，包 括叶 片 、轮毂 （ 叶片合 称 叶轮 ） 与 、机 舱 罩 、增 速齿 轮 箱 、
发 电机 、塔架 、机 舱 基 座 （ 称 机 舱底 盘 ） 又 、控 制 系 统 、制动 系统 、偏 航 系 统 、变 桨 系统 、液 压 装 置 等 。 水平 轴式 大型 风力发 电机 组 传动 系 统结 构 简 图如 图 １
ｌ 机 舱 盖 ；ｌ ７一 ８一塔 架 ；１ ９一桨 叶 连 接
完 全 约 束 ： ｑ ｔ ＝０ ； ，）
图 １ 大 型 风 力 发 电 机 组 传 动 系 统 结 构 筒 图
非完 全约 束 ： （ ， ＝０ 。 ， ｑ ，）
收稿 日期 ：２ １ － ２ ６ ０ ０ １ — ；修 回 日期 ：２ １ ・ ２ ｌ ０ １０ ・３
Ｕ 和 多体 动 力 学 仿 真 工 具 ＭＳ ． Ｄ ＭＳ建 立 了 ７ ０ｋ 风 力 机 组 系 统 多 刚 体 模 型 ， 对 故 障 率 较 高 的 齿 轮进 Ｇ ＣＡ Ａ ５ Ｗ 行 啮 合 力 仿 真 分 析 ，对 齿 轮 箱故 障进 行 了 预测 。
关键 词 ：耦 合 振 动 ；多 刚体 系统 ；动 力 学 分 析 ；仿 真 中 图 分 类 号 ：Ｔ １ ． Ｈ１ ３ １： Ｔ ３ １ ９ Ｐ ９ ． 文 献 标 识 码 ：Ａ
第 ３期 （ 第 １６期 ） 总 ６
２１ ０ １年 ６ 月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭ ＡＴＩ ＯＮ
Ｎｏ ．３
Ｊ ｎ ｕ．
文章 编 号 ：６ ２ ６ １ （ ０ ） ３ ０ ５ ． ３ １７ —４ ３ ２ １ ０ —０７ ０ １
在输 出轴上施加 恒定 的负载转 矩 ４９ ６０ ３Ｎ ・ ｍ来 ７ ５ ｍ 模 拟发 电机对 系统 的转 矩 。为 了使 转 速不 出现 突变 ， 利用 Ｓ Ｅ Ｔ Ｐ函数 使 转 速在 １ｓ内 由 ０增 加 到 １５。 ｓ ３ ／， 其关 系式 为 Ｓ Ｅ （ｉ ｅ ，０ ，１ ３ ｄ 。 Ｔ Ｐ ｔ ，０ ｄ ，１５ ） ｍ
２１ ０ １年 第 ３期
真工 具 ＭＳ ． Ｄ ＭＳ建立 ７ ０ｋ 风 力发 电机 组 系统 ＣＡ Ａ ５ Ｗ
多 刚 体 动 力 学 模 型 ，主 要 包 括 主 轴 、机 舱 、 底 座 、 发
在建立 的刚体 模型输 入轴上施 加一个恒 转速 ，大 小为
１５。 ｓ（ ２ ５ｒｒｉ）来 模 拟传递 到 增速 箱 的转速 ， ３ ／ ２ ． ／ ｎ ａ
耦 合 振 动对 传 动 系 统 影 响 的仿 真研 究
叶剑 锋 ，张 洪 ，鄢金 山
（ 疆农业大学 机械交通 学院，新疆 乌鲁木齐 新 ８０ ５ ） ３ ０ ２
摘 要 ：基 于 ＭＳ ． Ｄ ＭＳ软 件 ，初 步 探 讨 了系 统 动 力 学 模 型 的建 立 及 仿 真 问题 。 主要 利 用 三 维 实体 造 型 工 具 ＣＡ Ａ
所示 。
风能作 为 一种清 洁能 源被 人们所 重 视 ，风力发 电 机是 目前利 用 风能 的主要设 备 。风力 机 在运行 期 间风
向 和 风 速 是 时 刻 变 化 的 ，风 力 机 是 一 个 刚 柔 耦 合 的 多
体 系统 ，工 作环 境极 其恶 劣 ，作用 在风 力机 上的 空气 动力 、惯性 力 和弹性 力 等交变 载荷会 使 系统 产生 变形
或 振 动 ，影 响 风 力 机 的 正 常 运 行 ，严 重 时 会 导 致 风 力
机损 坏 。在 风力 机 工 作 现 场 发 现 ，７ ０ ｋ 机 组 在 启 ５ Ｗ 动 、停机 和风 速较大 时振 动尤 其剧 烈 。机组 系统 的振
动 主要体 现在 叶片振 动 、系统 振动 和塔 架振 动 ３个 方 面 ，而这 ３个方 面 的振动 特征 表现 为耦 合性 。为确 保
１ ２ ７ ０ ｋ 风 力 发 电 机 组 研 究 模 型 的 组 成 ． ５ Ｗ
功率 、高效 、高 速 的复杂机 电设 备越 来越 普及 ，含 间 隙机 械振 动系统 的动 力 学 及 混 沌控 制成 为 研 究 热 点 。 然而 ，机械 结构 的 动力 学 参 数 （ 阻 尼 、 固有 频 率 、 如 机械 阻抗等 ） 尚无 法 用 理 论 公 式 正 确 求 解 ，因 此 对
利 用 三 维 实 体 造 型 工 具 ｕ 和 多 体 系 统 动 力 学 仿 Ｇ
作 者 简 介 ：叶剑 锋 （ ９ ４ ） 男 ， 江 龙 泉 人 ， 读硕 士研 究 生 ， 要 研 究 方 向 ： Ｉ １８．， 浙 在 主 Ｇ Ｓ与 机 电一 体 化 。
动 化
０ 引 言
机 械 振 动 是 机 电设 备 中 常 见 的物 理 现 象 。 随 着 大
其 中 ： 为 机组 系统 的功 能 ； ｑ为系统 广义 坐标 列阵 ； 为 系统广 义速 度列 阵 ； Ｑ为广 义力 列 阵 ； Ｐ为完整 约束
的拉 氏乘 子列 阵 ； 为非完 整 约束 的拉 氏乘子 列 阵 ； ｇ为拉 氏乘 子约束 平衡 函数 。