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基于Simpack的风电齿轮箱动力学分析

马晓光1

（1大连华锐重工集团股份有限公司齿轮箱研究所，辽宁大连116013）

摘要齿轮箱是风力发电机组中的重要组成部分，其在整机环境下的动力学表现是决定齿轮

箱寿命甚至整机寿命的关键因素。本文利用多体动力学仿真软件Simpack9.59.5建立了刚体

-柔体耦合的某MW级风力发电机组整机多体动力学传动链模型，通过将Simpack9.5中的传

动链模型所计算得出的固有频率与Bladed软件计算结果和理论计算结果相比较，验证了该

模型的可靠性和准确性。基于该传动链模型进行了在频域上和时域上的多体动力学仿真求解，

对整机传动系统进行了模态分析，对其潜在共振可能进行了评估，分析了轴的不对中对齿轮

箱动力学性能的影响，最后通过实验验证了上述分析方法和评估手段的正确性。

关键词传动链风电齿轮箱共振分析轴不对中

0引言

近年来，以风能这种清洁能源做为原动力的风力发电技术，越来越被人们所重视和认

可。对于除少数直驱型风力发电机组之外的其他大部分传统结构的风力发电机组来说，由箱

体、齿轮、传动轴及支撑轴承等所组成的齿轮箱传动系统是风力发电机组的重要核心构件。

齿轮箱动力学性能的优劣程度将会直接影响整个风力发电机组的综合性能。因此，诸多国内

外学者和专家对于基于齿轮箱的风力发电传动系统的动力学问题进行了多方面的深入研究，

并取得了一系列成果。周世华[1]等人采用集中质量法建立了整个风电齿轮箱传动系统的动力

学模型，并在考虑齿轮啮合刚度，啮合阻尼以及支撑轴承等因素下利用拉格朗日方程推导了

整个传动系统的动力学方程；朱才朝等人[2]在考虑齿轮系统齿侧间隙、时变刚度以及制造误差的基础上，建立了大型风力发电机的齿轮-传动轴-齿轮箱传动系统的非线性耦合动力学模

型；F.Krull等人[3]借助多体动力学软件DRESP进行了风力发电机组在两个瞬态现象之间的

载荷仿真和固有频率的预测；Oezgueven等人[4]讨论了齿轮动力学分析中常用的数学模型，并对其进行了归纳分类，对动力学模型中每级的基本特性以及建模用到的参数、选用的目的等进行了详细剖析；Helsen等人[5]基于多体动力学理论分别建立了齿轮箱的纯扭转刚体模型、六自由度刚体动力学模型以及六自由度柔体动力学模型，并通过将动力学仿真结果与实验台实验数据相比对，得出了在动力学仿真中要尽量使用柔体进行仿真，另外不同方向上的模态响应并不是相互独立，而是相互关联的结论。魏蕊艳[6]使用RomaxDesigner软件对风电齿轮箱进行了动力学仿真计算，分析了传动系统中主要参数对传动链固有频率的影响，为改善齿轮箱传动系统的传动特性以及减少整个系统的振动和噪声提供了重要的理论参考。魏静等人[7]建立了具有多级齿轮传动的大型风电齿轮箱系统耦合非线性动力学模型。对风电齿轮箱系统有限元模型进行耦合模态分析，运用模态叠加法对齿轮箱系统在内部激励与外部激励综合作用下的振动响应进行求解。将仿真结果与实验数据对比，得到了齿轮箱各点振动位移、速度及加速度等系统动态评价指标，为大型风电齿轮箱动态特性的准确评价及齿轮系统动态性能优化设计提供了理论依据。

综上所述，在风机传动链动力学分析的现有研究成果中，大多对箱体柔性，轴承非线

性，齿轮啮合力对扭转共振的影响以及高速轴与电机轴的不对中对风机传动链动力学响应的

影响未能多做考虑。本文在现有传动链分析成果的基础上，利用Simpack9.5软件对某MW

级风电机组的传动链进行了

刚体-柔性体耦合下的多体动力学仿真模型的建立，在时域和频域下对该模型进行了模

态分析和共振分析，通过考虑轴承刚度的非线性，箱体等结构件的柔性，齿轮啮合力对系统

的冲击以及高速轴与电机轴的不对中，提出了一种评估传动链共振可能以及动力学性能的新

方法。

1.传动链动力学模型建模

根据德国劳式船级社即GL的相关规范可知[8]，风机的传动链模型需包括：叶片，轮毂，

主轴，齿轮箱，联轴器，发电机转子以及发电机定子。

在传统的刚体系统动力学仿真中，传动链中的所有部件大都考虑为刚体，部件的弹性变形很

少被考虑，这样的仿真分析无法反映构件的受载变形情况对传动链动力响应的影响。

本文所建传动链中的齿轮箱为两级行星加一级平行结构，传动比为108。模型中所有旋

转部件（如叶片、轴和行星架等）及重要的非旋转件（如箱体）的均考虑为柔性体。每个叶

片均由多个不同截面属性的Timoshenko梁单元所构成，考虑其前4阶弯曲固有模态，包括

前两阶挥振模态（频率分别为0.616Hz和1.74Hz）和前两阶摆振模态（频率分别为0.888Hz

和2.576Hz）；主轴，箱体，行星架，齿轮箱内的各个