风力发电机工作环境恶劣,常年经受无规律的变向变负荷的风力作用及强阵风的冲击。同时设备在运行过程中,为保证叶轮获得更多的风能,需要经常变桨、偏航,这将使风力机在运行过程中受到附加载荷的作用。加之高空架设、维修困难等原因,要求其运行可靠性和工作寿命比一般机械系统高得多。作为风力发电机主要机械设备,传动系统需要承受更高不稳定的随机动载荷和更高的疲劳应力,这导致风力发电机传动系统故障频发,严重影响风力机运行安全。因此,研究风力发电机传动系统的动力学行为和振动特性对提高风力发电机的稳定运行有重要的现实意义。本文基于空气动力学、流体力学、虚拟试验技术、流固耦合理论、随机参数振动及非线性接触算法等,综合采用了理论分析方法、实验测量分析法和有限元分析方法,研究了风力机运行环境下气动载荷、运行载荷对传动系统中低速轴、齿轮箱、高速轴、联轴器和发电机影响,及在气动载荷和运行载荷耦合作用下传动系统整体特性、动静力学和若干相关可靠性灵敏度问题。本文的主要研究内容如下:(1)通过实测内蒙古卓资二号风电场风资源数据,对数据进行统计、分析,拟合成风资源分布曲线。利用MATLAB数学分析软件对实测数据进行二次分析,并结合Weibull风资源分布函数,利用最小二乘法估计法计算风资源分布的位置参数C和形状参数K,建立风资源工程数学模型,生成了风力机在运行环境下所承受的风载荷谱。通过比对分析计算曲线与实测曲线,修正风资源数学模型中参数值,仿真得出风力机实受风载荷的大小,提出了一种区域风资源分布计算方法,为风电场工程设计提供依据。(2)充分考虑风力机在实际运行环境下气动载荷时变规律、空气尾流互扰和湍流载荷等因素对风载荷的影响,结合黏性流体力学理论和计算流体力学理论,计算风力机在实际运行过程中受到外部气动载荷。并研究风力机在运行过程中,风切变、塔影效应和制动载荷等运行载荷变化规律,计算了风力机传动系统内部运行激振载荷。基于流固耦合分析理论和风力机控制理论,研究了风力机传动系统耦合振动载荷谱的计算方法。(3)依据风力机结构特征及受力特点,利用ANSYS/LS-DYNA动力学仿真软件软件,通过合理设置质量节点、单元类型、边界条件等方式来简化系统模型。通过加载耦合载荷谱,研究了传动刚度和结构阻尼对传动系统整体振动特性的影响,提出了传动刚度、结构阻尼对传动系统固有频率影响的理论分析方法。依据工程设计图建立的传动系统虚拟样机,利用QR阻尼法在对整机进行模态、固有频率计算及谱分析、瞬态动力学分析、接触分析等研究。通过对关键点振动特性提取,确定了传动系统对传动刚度和结构阻尼的可靠性灵敏度,提出了传动系统优化设计的方法。(4)为了降低运行风力机传动系统振动值,提高风力机运行可靠性,利用传感器、数据采集器、功率放大器和PC机搭建的风力机传动系统振动监测系统,对传动系统振动位移、速度、加速度等数据进行采集。利用MATLAB软件及OrginalLab软件对数据进行分析,说明了各级传动轴转速、偏心量及动态激励对系统振动的影响规律,提出了可通过合理调整风力机的v-P控制曲线运行参数,进而降低风力机在运行过程中的故障率方法。(5)对传动系统整体进行了动静力学仿真下的可靠性灵敏度研究。静力学分析时,以低速轴材料密度、低速轴材料弹性模型、收缩盘材料密度、收缩盘材料弹性模量作为随机变量,在动力学分析时,以外部气动载荷和内部激振载荷作为随机变量。利用Monte Carlo机械可靠性灵敏度分析法研究了在流固耦合作用下各随机变量对风力机传动系统概率敏感性。通过以上研究,全面掌握了风力机运行环境下所承受载荷工程计算方法及各类载荷对风力机整体及部件振动的影响规律,为风电场工程设计和风力机可靠性设计及优化设计奠定基础。