摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃快速發(fā)展，對(duì)電能的需求也與日俱增，而能源的短缺一直以來(lái)都是每個(gè)國(guó)家需要面臨的問題，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，對(duì)風(fēng)能的利用有效的緩解我國(guó)的能源緊缺和不足。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)研究是非常有必要的，并大幅度降低了對(duì)化石能源的依賴，有效的促進(jìn)了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；動(dòng)力學(xué)；分析；能源

0.引言

隨著可再生能源的使用，使得其世界存儲(chǔ)越來(lái)越少，面對(duì)人們對(duì)可再生能源的不斷需求，使得對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源的研究也越來(lái)越重視，尤其是風(fēng)能的利用逐漸受到了研究學(xué)者的關(guān)注和研究[1-2]。與此同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家趨于成熟，應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電主要是利用自然界的風(fēng)能使得葉片旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，此時(shí)就可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，輸送到需要的地區(qū)[3]。其中，在風(fēng)力發(fā)電的過程中，需要用到齒輪箱對(duì)速度和扭矩進(jìn)行變換，因此能否是使發(fā)電機(jī)到達(dá)預(yù)定的額定速度和發(fā)電的額定電壓，其齒輪箱作為傳動(dòng)系統(tǒng)起著重要的作用。

由于自然界的風(fēng)能具有不穩(wěn)定、不定向等特點(diǎn)，因此風(fēng)力對(duì)葉片的作用力也是出于隨機(jī)的狀態(tài)，這會(huì)使得齒輪箱的傳動(dòng)長(zhǎng)期處于變載荷且不穩(wěn)定的環(huán)境，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成極大的破壞和損失，大大的降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命[4]。本文基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析旨在對(duì)風(fēng)力發(fā)電過程中的動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，以此減小其傳動(dòng)過程的振動(dòng)，降低其故障頻率，優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和使用壽命，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的拓展具有重要意義。1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)的葉輪獲得風(fēng)能，利用風(fēng)的動(dòng)能推動(dòng)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，即風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后通過葉輪的旋轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能[5]。風(fēng)力對(duì)葉輪的作用力是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)力輸入，葉輪產(chǎn)生的機(jī)械能越多，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得的電能也就越多。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過風(fēng)輪在風(fēng)中獲得風(fēng)的能量，此時(shí)經(jīng)過葉片的風(fēng)由于將其自身的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪的動(dòng)能，風(fēng)的速度會(huì)下降。當(dāng)風(fēng)掃過葉片的圓周面積時(shí)，經(jīng)過葉片所在的圓周面，將空氣和沒有通過風(fēng)輪的空氣分離開來(lái)，就可以得到一個(gè)氣流管。其氣流管的示意圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的存在，使得葉片上游的空氣在接近葉片時(shí)，出現(xiàn)衰減，與此同時(shí)，由于風(fēng)速的降低會(huì)使得葉片下游的氣流管的膨脹，等同于空氣的靜壓上升，最終風(fēng)力的一部分動(dòng)能就會(huì)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)葉片的機(jī)械能。上游的氣體經(jīng)過葉片之后，其靜壓會(huì)降，使尾流的氣體的壓力小于大氣壓。因此，整個(gè)過程中，葉片的上游和下游遠(yuǎn)處的空氣，靜壓始終是保持不變，僅僅減小了氣體的動(dòng)能。

通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電的原理進(jìn)行闡述之后，其中也會(huì)存在一些不足，總結(jié)幾點(diǎn)如下：

（1）隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的不斷增大，相應(yīng)的塔架高度也越來(lái)越高，這樣使得發(fā)電機(jī)的齒輪箱傳動(dòng)受力情況變得復(fù)雜。尤其是在特殊地形的氣流對(duì)葉片影響較大，這樣使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)變得極其不穩(wěn)定，再加上風(fēng)力的或大或小，都會(huì)加速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的損壞。

（2）在風(fēng)力發(fā)電機(jī)剛剛開始運(yùn)行時(shí)，由于發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)存在較大慣性，這種慣性力對(duì)葉片產(chǎn)生的作用力剛好相反，這樣對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)有很大的沖擊，尤其齒輪箱中嚙合的齒輪，大大降低了齒輪的使用壽命。另外，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要停止時(shí)，對(duì)齒輪箱的零部件承受較大的沖擊，直接會(huì)損壞齒輪箱的零部件。

（3）在寒冷的地區(qū)，比如我國(guó)的東北地區(qū)，冬季氣溫基本上處于零下，甚至到達(dá)零下40℃。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)所能夠承受的溫度在-20℃左右，特殊的發(fā)電機(jī)可以達(dá)到-30℃，這些因素主要有變速箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，由于齒輪箱中齒輪嚙合會(huì)放潤(rùn)滑油，來(lái)提高齒輪的壽命，但是在低溫環(huán)境下，齒輪箱的潤(rùn)滑油就會(huì)變得粘稠，對(duì)齒輪的旋轉(zhuǎn)是一種阻礙，增加了發(fā)電機(jī)的阻力，這樣降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。

（4）風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的齒輪箱，如果長(zhǎng)時(shí)期且頻繁受到風(fēng)載荷變化沖擊，勢(shì)必會(huì)增加齒輪之間的磨損，齒輪就會(huì)慢慢出現(xiàn)輕微的磨損，進(jìn)而齒輪表面出現(xiàn)點(diǎn)燭，甚至斷裂等現(xiàn)象，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)法正常的工作。

由于風(fēng)力發(fā)電的過程中，齒輪箱的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，承擔(dān)的變載荷變得極為復(fù)雜。再加上我國(guó)風(fēng)力發(fā)電相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家而言起步較晚，對(duì)風(fēng)力的統(tǒng)計(jì)沒有及時(shí)的收集，尤其變載荷的數(shù)據(jù)文獻(xiàn)。結(jié)合我國(guó)遼闊的國(guó)土，對(duì)風(fēng)能開發(fā)具有非常大的前景，對(duì)風(fēng)能的利用也能緩解能源不足和環(huán)境污染的困境，因此，有必要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析研究，以此提高風(fēng)能的利用，改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，加速經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析

經(jīng)過多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者都對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入研究分析。尤其是特殊環(huán)境下的模擬分析，比如：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱，都有著嚴(yán)格的分析，目前基本上對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究大方向得到很好的解決，但依然存在一些較小的問題，影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工作，比如：使用壽命、重載、性能等。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作過程，不可避免的會(huì)出現(xiàn)齒輪箱的振動(dòng)，其振動(dòng)的類型大致上可以劃分為三類：第一，由于齒輪傳動(dòng)中負(fù)載是隨著齒輪的嚙合進(jìn)行傳遞的，都是成對(duì)的出現(xiàn)，必然有齒輪的哨入、嚙出沖擊，這樣會(huì)造成單個(gè)齒輪上載荷的變化，引起所在軸的旋轉(zhuǎn)；第二，齒輪產(chǎn)生的嚙合力會(huì)隨著外界載荷的變化實(shí)時(shí)的調(diào)整，如果出現(xiàn)忽大忽小的變載荷和方向的改變，都會(huì)引起變速箱的振動(dòng)，從而影響齒輪的正常嚙合，不利于變速箱的傳遞。第三，由于風(fēng)力的不穩(wěn)定性和變向性，使得零部件的精度變得越來(lái)越差，進(jìn)而增大零部件的摩擦，引起熱變形，進(jìn)一步破壞變速箱等零部件的磨損，產(chǎn)生更大的沖擊，陷入惡性循環(huán)。

本文以大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行分析。在建立齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，作出如下假設(shè)：第一，齒輪、軸和軸承均為彈性體，箱體為剛箱體；第二，由于直齒輪沒有軸向力，假定每個(gè)構(gòu)件都在垂直于軸線的平面內(nèi)振動(dòng)；第三，忽略輪齒哨合時(shí)齒間的摩擦力，系統(tǒng)中的阻尼都為粘性阻尼，并不考慮齒側(cè)間隙的影響，假定齒輪哨合力式中作用在哨合線上，各行星輪沿圓周分布，且質(zhì)量質(zhì)量、支撐剛度等參數(shù)均相等；其齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的幾何模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由三級(jí)齒輪傳動(dòng)組成，第一級(jí)輸入級(jí)，由內(nèi)齒圈、太陽(yáng)輪和三對(duì)行星齒輪組成，是內(nèi)哨合的直齒行星齒輪傳動(dòng)；第二級(jí)為中間級(jí)，由一對(duì)小齒輪和大齒輪組成，是外哨合的斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)；第三級(jí)為輸出級(jí)，由一對(duì)大齒輪和小齒輪組成，是外哨合的直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。系統(tǒng)通過葉片把風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，然后通過主軸傳遞給行星架，通過齒輪箱增速，由高速端輸出驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能。其建立的三維空間動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。

在完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整機(jī)建模后，皆可以對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和仿真，以此判定該模型存在的缺陷和不足，為后期的分析奠定良好的基礎(chǔ)。尤其是動(dòng)力學(xué)分析，用科學(xué)的方法有效的分析了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型研究的重要性。

3.總結(jié)

通過以風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，從風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的問題入手，合理分析其運(yùn)行中的不足，并結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)手段，采取相應(yīng)的措施和方法，以此提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率和穩(wěn)定性，以此降低風(fēng)力發(fā)電的成本，與此同時(shí)，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：孫宇（1989.05.27）男，漢族，遼寧省營(yíng)口市人，本科學(xué)歷，中級(jí)職稱，從事風(fēng)力發(fā)電工作。