基于动力学和可靠性的风力发电齿轮传动系统参数优化设计_秦大同
风力发电机组齿轮箱设计与优化
风力发电机组齿轮箱设计与优化风力发电机组作为一种环保和可再生能源设备，在近年来得到了广泛的应用和发展。
而其中的齿轮箱设计和优化，则是影响整个发电机组性能和效率的重要因素之一。
本文将详细介绍风力发电机组齿轮箱的设计原理与优化方法。
一、齿轮箱设计原理风力发电机组的齿轮箱主要用于传动风力转子与发电机之间的转动力，同时还可以对转速比进行调节以提高系统效率。
一般来说，齿轮箱包括主减速箱和变速箱两部分。
主减速箱通常采用多级齿轮传动，通过不同的齿轮组合来实现不同的转速。
而变速箱则可以通过调整齿轮箱中液压传动系统或电子控制系统来实现转速的调节，以适应不同风速下的工作状态。
在设计齿轮箱时，需要考虑的因素包括传动效率、承载能力、噪音和振动等。
合理的齿轮参数设计和优化可以有效地提高齿轮箱的工作效率和寿命。
二、齿轮箱优化方法1. 材料选用优化：齿轮箱的耐磨损性、强度和重量等关键性能直接受材料选择的影响。
优化材料选用可以根据具体工况选择合适的合金钢、碳素钢或铝合金等材料，以提高齿轮箱的整体性能。
2. 齿轮参数优化：齿轮的模数、齿数、压力角等参数对齿轮箱的传动效率和噪音有着重要影响。
通过数值优化和仿真分析，可以对齿轮参数进行精确设计和调整，以实现最佳的传动效果。
3. 润滑系统优化：齿轮箱工作时，润滑油的选用和润滑系统的设计对齿轮箱的稳定性和寿命至关重要。
通过合理选择润滑油种类和油路设计，可以减少齿轮箱的摩擦损失和磨损，提高系统效率。
4. 结构强度优化：齿轮箱内部各部件的结构设计和强度分析是确保齿轮箱正常运行的重要环节。
通过有限元分析和结构优化，可以避免齿轮箱在高负荷工况下出现应力集中和疲劳断裂等问题。
结语风力发电机组齿轮箱的设计和优化是提高发电系统整体性能和可靠性的关键环节。
通过合理设计齿轮参数、材料选用、结构强度和润滑系统，可以有效地提高齿轮箱的使用寿命和工作效率，为风力发电行业的发展做出贡献。
希望通过本文的介绍，读者对风力发电机组齿轮箱的设计与优化有所了解和启发。
风力发电系统中的传动装置设计与优化
风力发电系统中的传动装置设计与优化风力发电系统是一种环保、可再生的能源系统，利用风能将其转化为电能。
而风力发电系统中的传动装置扮演着重要角色，它将来自风机叶片的旋转运动转化为发电机的转子旋转运动，从而产生电能。
本文将讨论风力发电系统中的传动装置设计与优化的问题。
首先，让我们了解一下风力发电系统的基本原理。
风力发电系统主要由风机叶片、传动装置和发电机等组成。
风机叶片的旋转由风力驱动，传动装置将旋转运动转化为线性运动，并传递给发电机，发电机则将机械能转化为电能输出。
在传动装置的设计过程中，有几个关键因素需要考虑。
首先是传动装置的效率。
传动装置的效率决定了风力的转化效率和电能的转化效率。
因此，在设计过程中，应该尽可能提高传动装置的效率，减少能量损失。
例如，选择高效的齿轮传动系统、使用优质的轴承等，都可以提高传动装置的效率。
其次是传动装置的可靠性和稳定性。
风力发电系统通常运行在较为恶劣的环境中，如高风速、低温等。
因此，传动装置需要能够承受较大的负载和振动，并保持稳定运行。
在设计过程中，应该选择材料强度高、耐磨损、耐腐蚀的零部件，确保传动装置的可靠性和稳定性。
另外，传动装置的体积和重量也是需要考虑的因素。
风力发电系统往往需要建在高海拔或离岸等较为复杂的环境中。
在这些环境下，传动装置需要具备较小的体积和重量，以便于安装和维护。
因此，在设计过程中，应该采用轻量化的结构和材料，以减小传动装置的体积和重量。
除了上述的基本要求外，传动装置的设计还应考虑到动力分配的均匀性和系统的灵活性。
传动装置需要能够平衡不同风速下的功率输出，并适应系统的变化。
因此，在设计过程中，应该合理选择齿轮的参数、采用可调节的软连接等方式，以实现动力的均匀分配和系统的灵活性。
为了优化风力发电系统中的传动装置设计，可以采用多种方法。
首先，可以通过数值模拟和实验测试相结合的方式，对不同的传动装置方案进行评估和比较。
通过模拟分析，可以获得传动装置的动力学特性、能量损失等参数，从而为设计提供依据。
变风速运行控制下风电传动系统的动态特性_秦大同
Dynamic Characteristics of Wind Turbine Transmission System under Verying Wind Speed and Operation Control Conditions
QIN Datong LONG Wei YANG Jun ZHOU Haibo
摘要：基于齿轮系统动力学的方法对风电传动系统进行研究。运用基于自回归模型的线性滤波法(Auto-regressive，AR)建立 的风速模型对实际风场的随机风速进行模拟；根据风力发电机在实际情况中的运行控制策略获得风力发电机齿轮传动系统的 时变输入转矩激励；综合考虑风力发电机齿轮传动系统中各个齿轮副的时变啮合刚度、各个滚动轴承的刚度、各个轮齿综合 啮合误差等内部激励，采用集中参数质量法建立风力发电机齿轮传动系统的耦合动力学模型；在此基础上建立风力发电机齿 轮传动系统的动力学微分方程并进行仿真计算，分别求解风力发电机齿轮传动系统的固有频率、振动响应、动态啮合力和滚 动轴承动态轴承力。研究结果为风力发电机传动系统的动态性能优化设计和可靠性设计奠定了基础。 关键词：随机风速 风力发电机 齿轮传动 运行控制 动态特性 中图分类号：TH132
c Jc c c c kcc Tin (F kfs F cfs )r bc ( F krf F crf )r bc
i 1 i 1 3 3
Fkpg k pg (t ) x pg
pg Fcpg c pg (t ) x
(3)
式中，kpg(t)和 cpg(t)分别是时变啮合刚度和阻尼。 将所有构件的振动微分方程写成如下矩阵形式 + c (t ) x + k (t ) x = F (t ) Mx (4) 式中，x=(θc，Xc，Yc，θs，Xs，Ys，θp1，ηp1，ξp1，θp2， ηp2，ξp2，θp3，ηp3，ξp3，θ1，X1，Y1，θ2，X2，Y2，θ3， X3，Y3，θ4，X4，Y4)，M 为广义质量。
风力发电增速齿轮箱的优化设计和制造工艺研究
风力发电增速齿轮箱的优化设计和制造工艺研究风力发电是一种清洁可再生能源，具有巨大的发展潜力。
在风力发电系统中，风力发电机组的齿轮箱是将风轮转速转换为发电机额定转速的重要装置。
因此，优化设计和制造工艺研究风力发电增速齿轮箱是提高风力发电机组的效率和可靠性的关键。
优化设计是风力发电增速齿轮箱研究的核心和重点。
在设计过程中，需要考虑多个因素，如功率传递、结构强度、传动效率等。
首先，遵循工作原理和结构特点，齿轮的选材和形状要满足强度要求和传动效率要求。
同时，考虑到发电机组的运转稳定性，齿轮箱的设计要优化噪声和振动的控制。
其次，在参数设计中，需要合理选择齿轮模数、齿轮啮合系数、齿数比等参数，以提高传动效率和减少齿轮磨损。
此外，对齿轮箱的润滑系统设计也是优化设计的重要一环。
合理的润滑系统可以降低齿轮运动过程中的摩擦和磨损，延长齿轮的使用寿命。
齿轮箱的制造工艺对其性能和可靠性也有重要影响。
在制造工艺研究中，重点关注工艺参数的选择和工艺流程的优化。
首先，要选择适合的材料，具备良好的机械性能和热处理加工性能。
其次，针对齿轮的车削、滚齿、热处理等工艺进行研究，以保证齿轮的精度和强度。
针对大规模风力发电机组，还需要考虑齿轮箱的重量和体积。
因此，通过优化制造工艺，可以降低齿轮箱的重量和体积，提高系统的整体效率。
除了优化设计和制造工艺的研究，对风力发电增速齿轮箱的可靠性和寿命进行评估也是必要的。
可以通过实验和数值模拟的方法，对齿轮的载荷、应力和疲劳寿命进行分析，以评估齿轮箱的工作可靠性。
此外，对齿轮箱的故障诊断和预测方法也是研究的重点。
通过对齿轮箱运行状态的检测和监控，可以提前发现潜在故障，采取相应措施进行维修和保养，降低故障率和提高系统的可靠性。
在风力发电技术的发展中，风力发电增速齿轮箱的优化设计和制造工艺研究是持续推进的。
优化设计可以提高风力发电机组的整体效率和可靠性，降低能源成本，减少对传统能源的依赖。
制造工艺的研究可以提高齿轮箱的制造精度和质量，延长其使用寿命。
风力发电机齿轮传动系统的动态优化设计
重庆大学学报 Jour nal of Cho ng qing U niv ersity
Vo l. 33 No . 3 M ar. 2010
文章编号: 1000 - 582X( 2010) 03 - 030 - 06
风力发电机齿轮传动系统的动态优化设计
张庆伟, 张 博, 王建宏, 秦大同
1
1. 1
传动系统动力学模型
集中参数模型 图 1 为兆瓦级风力发电机组齿轮箱传动系统简
T in ) 低速端输入转矩 ; T o ut ) 高速端输出转矩 ; Pi ) 第 i 个行 星轮( i = 1 , 2, ,, N p ) , N p 为行星轮数目 ; c ) 行星架 ; r ) 内齿圈 ; s ) 太阳轮 ; 1 , 2, 3, 4 ) 各级定轴圆柱齿轮 图1 齿轮传动系统简图
( 2)
Mx & + Cx + Kx = F, ( 3) 式中: x 表示 位移矢量, x = [ uc , up1 , u p2 , u p3 , u s ,
#
u 1 , u2 , u 3 , u 4 , v 1s , v 23 , v 4 ] T ; v 1s 、 v 23 、 v 4 表示定轴 级各传动轴的轴向振动; M、 C、 K 分别为质量矩阵、 阻尼矩阵、 刚度矩阵, F 表示外载荷向量。 1. 2 系统激励分析 1 . 2. 1 时变啮合刚度 齿轮轮齿啮合过程中同时参与啮合的轮齿对数
收稿日期 : 2009 - 10 - 10 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50675231) ; 国家支撑计划项目 ( 2006BAF 01B07 - 01) 作者简介 : 张庆伟 ( 1959 - ) , 女 , 重庆大学副教授 , 主要从事机械传动及设计研究 , ( E - mail) zqwqlt@ 163. com 。
风电齿轮箱可靠性分析与研究
风电齿轮箱可靠性分析与研究摘要：在我国风电机组一般安装在高山、荒原、海岛等风口处，容易受到沙尘、低温、台风、冰雪、盐分等恶劣气候环境的影响。
由于风电机组经常受无规律的、变向的、变负荷的风力作用，会导致叶片表面损伤乃至脆断。
齿轮箱密封润滑系统功能退化、低温停机较长时间后变速箱内油温低、黏稠度大等都会降低液压系统寿命。
传动链特别是齿轮箱系统中由关键零部件失效引发故障而导致停机的时间占机组总停机时间的比例居高不下是影响系统性能和可靠性服役的关键性问题。
关键词：风电齿轮箱；失效；可靠性分析1.风电齿轮箱主要失效形式根据失效部位进行分类，风电齿轮箱的故障主要有箱体故障、行星架故障、轴故障、齿轮故障、轴承故障及润滑冷却系统故障等。
突发性的阵风或者电网故障导致的突发载荷、发生故障时的紧急制动等，都会产生较大载荷，有时甚至超过额定载荷数倍，引起齿轮的过载折断。
齿轮损伤主要包括轮齿折断（断齿）、齿面疲劳（点蚀）、齿面胶合、齿面磨损等。
从应用初期的微点蚀，到逐步扩展的大面积点蚀、剥落或磨损。
断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。
由于齿面在交变载荷下承受过大的接触剪应力、过多的应力循环次数，因此齿面容易发生胶合、点蚀、齿面剥落、表面压碎等损伤。
另外轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等也会引起轮齿的冲击折断.比较典型的是行星轮系，行星轮在运转过程中总是双向受力，受齿轮精度、强度的影响，容易出现疲劳断齿现象。
行星架损坏部位容易出现在行星孔等强度较弱的部位以及与行星轮或行星架轴承相近的部位。
1.1轴承轴承是齿轮箱中另一个重要故障源。
由于安装、润滑、污染和工作环境等因素，轴承出现了磨损超负载、过热、腐蚀、导电、疲劳等现象，使轴承产生点蚀、裂纹、表面剥落等问题而失效，从而使齿轮箱发生损坏在低速输入端，低速重载情况比较典型，良好的润滑条件难以形成，这是造成主轴轴承损坏的重要原因。
高速端的轴承，因为发电机轴和齿轮箱高速轴连接中通常存在角度偏差和径向偏移，它们随输出功率的变化而变化；这会产生一定频率的轴向和径向的扰动力，从而引起轴承温升而使轴承损坏。
随机风速下风力发电机传动系统动态外载荷计算
β η
x η
β-1
exp -
x η
β
（1）
式中：β 为形状参数；η 为尺度参数。
两 参 数 威 布 尔 分 布 定 义 域 为 （0，+∞）， 与 风 力
机工作的实际风速范围不符。 为了更加符合工程
实际和运算方便，本文引入风速基准参数 Vfl：
Vfl=fl（Vmin）
（2）
式中：Vmin 为风速最小值；fl 为计算不 大 于 某 值 的
电机以定速 S1 运行， 此时风力发电机不发电；随 着风速的增大，风力发电机运行于 AD 段，此时风 力发电机跟踪最大风能利用系数， 在此可将 AD 段定义为最优控制曲线；当风速大于额定风速时，
·22·
风力发电机沿着曲线 DE 运行， 此时随着风速的 增大，叶片攻角增大，风轮处于失速状态，通过功 率限制控制器使功率保持在额定值， 同时保证传 动系统不因过载而引起应力破坏， 在高风速时根 据风力发电机的额定功率限定载荷的最大值。
由于变速型风力发电机在转速控制方面更具 有代表性和实用性，并且计算较为简单，因此本文 以变速型风力发电机为例说明功率调节的控制策 略。当风速低于额定风速时，风机尽可能地捕捉风 能；当风速高于额定风速时，风力发电机以额定功 率运行。 图 1 中 S1ABCDE 为风力发电机的理论运 行 曲 线 ，S1A 段 表 示 风 速 低 于 切 入 风 速 时 风 力 发
坐标转化后，得到叶片微段处的相对速度为
V0= 姨V0x2+V0y2
（9）
V0 的 X 轴分量 V0x 和 Y 轴分量 V0y 分别为
姨姨姨V0x=V1(cosγ*cosθ+sinθsinχsinγ*）-
姨
姨 姨姨
盾构机刀盘驱动多级行星齿轮传动系统的多目标优化_秦大同
应力 Ｓ 计算 式 中 各 参 量 的 定 义 详 见 Ｘ， Ｆ ｉ（ ｔ） ／ 《 Ｇ ＢＴ ３ ４ ８ ０－１ ９ ９ ７ 渐开 线 圆 柱 齿 轮 承 载 能 力 计 。 由于优 化 求 解 的 过 程 是 使 目 标 函 数 最 算方法 》 ）取倒数 ， 为此将式 （ 记为 小， １
／ Ｘ）＝ １ Ｒｓ（ Ｘ）＝ １（ ｆ ／ １
Ｒｓ（ Ｘ）＝
（ ｅ ｘ － ｐ
＋∞ －∞
１ 设计变量
， 对于单 级 ２ 设 传 动 比 为ｉ Ｋ－Ｈ 行 星 轮 系 ， 太阳轮齿数为ｚ 当采用等角变位时 ， 其内外啮合 ｓ， 则可分别由传动比条件和同轴 的啮合角 α 相 等 ， 条件求出内齿轮齿数 ｚ 即 ｒ 和行星轮齿数 ｚ ｐ，
） ｚ ｉ－１ ｒ ＝ｚ ｓ（ ） ｚ ｉ－２ ｓ（ ２
当Ｓ 为弯曲应力时 ， Ｘ， Ｆ ｉ（ ｔ）
Ｆ ｔ Ｓ Ｘ， Ｆ ＹＦ ＹＳ Ｙε ＹβＫＡＫＶＫＦ ＝ ｉ（ ｔ） α α α βＫＦ ｂ ｍｎ
ｚ ｐ ＝
在优化 设 计 时 ， 将影响目标函数的独立参数 列入设计变量 。 对于盾构机三级行星齿轮传动系 ） ， 统（ 图１ 独 立 的 设 计 参 数 有： 各级太阳轮齿数 各级 齿 轮 模 数 ｍ１ 、 各级齿轮齿 ｚ ｚ ｚ ｍ２ 、 ｍ３ ， １、 ２、 ３， 宽ｂ 各 级 传 动 比ｉ 各级齿轮啮合 ｂ ｂ ｉ ｉ １、 ２、 ３， １、 ２、 ３， 角α Ｎ２ 、 Ｎ３ 。 α α １、 ２、 ３ 及各级行星轮个数 Ｎ１ 、
９ － １ ０］ ； 或者以系统可靠度最大进行 系统的可靠 度 ［
单目标优化 ， 而 未 考 虑 系 统 动 力 学、 体 积／质 量 等
１ １］ 。对于充分考虑行星传动系统 其他性能 因 素 ［
齿轮动力学国内外研究现状资料
1.2.1 齿轮系统动力学研究从齿轮动力学的研究发展来看，先后进行了基于解析方法的非线性齿轮动力学研究、基于数值方法的齿轮非线性动力学研究、基于实验方法的齿轮系统的非线性动力学研究和考虑齿面摩擦及齿轮故障的齿轮系统的非线性动力学研究。
其中，解析方法包括谐波平衡法、分段技术法和增量谐波平衡法等；数值方法则不胜枚举，包括Ritz法、Parametric Continuation Technique方法等。
[1]齿轮系统间隙非线性动力学的研究起始于1967年K.Nakamura的研究。
[2]在1987年，H. Nevzat Özgüven等人对齿轮系统动力学的数学建模方法进行了详细的总结。
他分别从简化的动力学因子模型、轮齿柔性模型、齿轮动力学模型、扭转振动模型等几个方面分类，详细总述了齿轮动力学的发展进程。
[3]1990年，A. Kaharman等人分析了一对含间隙直齿轮副的非线性动态特性，考虑了啮合刚度、齿侧间隙和静态传递误差等内部激励的影响，考察了啮合刚度与齿侧间隙对动力学的共同影响。
[4] 1997年，Kaharaman和Blankenship对具有时变啮合刚度、齿侧间隙和外部激励的齿轮系统进行了实验研究，利用时域图、频域图、相位图和彭家莱曲线等揭示了齿轮系统的各种非线性现象。
[5]同年，M. Amabili和A. Rivola研究了低重合度单自由度的直齿轮系统的稳态响应及其系统的稳定性。
[6]2004年，A. Al-shyyab等人用集中质量参数法建立了含齿侧间隙的直齿齿轮副的非线性动力学模型，利用谐波平衡阀求解了方程组的稳态响应，并研究了啮合刚度、啮合阻尼、静态力矩和啮合频率对齿轮系统振动的影响。
[7]2008年，Lassâad Walha等人建立了两级齿轮系统的非线性动力学模型，考虑了时变刚度、齿侧间隙和轴承刚度对动力学的影响。
对非线性系统分段线性化并用Newmark迭代法进行求解，研究了齿轮脱啮造成的齿轮运动的不连续性。
风力发电机组设计中的传动系统优化
风力发电机组设计中的传动系统优化传动系统在风力发电机组设计中起着至关重要的作用。
一个高效、可靠的传动系统能够提高整个发电系统的性能和可靠性。
本文将讨论风力发电机组设计中传动系统优化的关键方面。
1. 传动系统的选择在进行传动系统的优化之前，首先需要选择适合的传动系统类型。
根据风力发电机组的规模和要求，可以选择直接驱动系统、间接驱动系统或混合驱动系统。
直接驱动系统通过直接连接发电机和风轮，减少了传动装置的损耗，提高了效率。
间接驱动系统使用变速箱将风轮的低速转动转换为高速转动，适用于大型风力发电机组。
混合驱动系统结合了直接驱动和间接驱动的优点，提供了更好的性能和可靠性。
2. 传动比的优化传动比是传动系统中非常重要的参数，它决定了发电机转速和风轮转速之间的关系。
传动比的选择需要考虑到风轮和发电机的特性，以达到最佳的功率转换效率。
传动比过低会导致发电机转速过高，增加机械压力和动力损耗；传动比过高则会导致发电机转速过低，降低了发电机的效率。
优化传动比可以通过合理选择变速箱的齿轮比来实现。
通过仿真和模拟分析，可以确定最佳的传动比，以满足风力条件下风轮和发电机的最佳匹配。
这样可以最大程度地提高能量转换效率，减少传动系统的能量损失。
3. 传动系统结构的优化传动系统的结构优化包括传动装置的布局和配套零部件的选择。
合理的布局设计能够减少传动系统的重量和体积，提高系统的可靠性和稳定性。
配套零部件的选择需要考虑其强度、耐磨性和寿命等方面的要求。
高性能的传动系统需要采用高强度材料和先进的制造技术。
材料的选择应考虑到在高速运转和恶劣环境条件下的耐久性和可靠性。
制造技术的应用可以提高传动系统的加工精度和装配质量，减少噪音和振动，提高系统的整体性能。
4. 自适应控制技术的应用利用自适应控制技术可以进一步优化风力发电机组的传动系统。
自适应控制技术能够根据风速和负载变化实时调整传动系统的工作状态，以实现最佳的能量转换效率。
自适应控制技术可以应用于传动系统中的变速箱和发电机控制系统。
风力发电机齿轮传动系统参数分析与优化设计
风力发电机齿轮传动系统参数分析与优化设计风力发电机齿轮传动系统参数分析与优化设计一、引言随着环境保护和可再生能源的重要性日益凸显，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式，受到了广泛的关注和应用。
而风力发电机中的齿轮传动系统作为重要的能量转换部件，其性能和可靠性对于风力发电机的运行和发电效率影响重大。
因此，对风力发电机齿轮传动系统的参数进行分析与优化设计具有重要的理论意义和应用价值。
二、风力发电机齿轮传动系统的基本结构风力发电机齿轮传动系统一般由齿轮箱、齿轮、轴和支撑结构等组成。
其中，齿轮是齿轮传动系统中最重要的元件之一，其参数的选择对于整个系统的性能具有决定性的影响。
因此，对风力发电机齿轮传动系统的参数进行分析和优化设计，有助于提高系统的可靠性、传动效率和工作寿命。
三、风力发电机齿轮传动系统参数分析1. 齿轮的模数选择齿轮的模数是指单位齿数的齿廓尺寸，通常用于描述齿轮的大小。
模数的选择应考虑到风力发电机的功率、转速和工作环境等因素，以保证系统的传动效率和传动能力。
一般而言，大功率的风力发电机需要采用较大的模数齿轮，而小功率的风力发电机则相对较小。
同时，根据齿轮传动的压力角和齿数，也可进一步确定齿轮的模数范围。
2. 齿轮的材料选择齿轮的材料选择是保证齿轮传动系统可靠性和寿命的关键因素之一。
一般而言，风力发电机齿轮传动系统应采用高强度、高韧性和耐疲劳性能良好的材料，如优质合金钢或渗碳表面硬化材料等。
此外，根据工作环境的特点，还可以对齿轮进行表面处理，如渗碳、淬火等，提高齿轮的硬度和寿命。
3. 齿轮的齿数比选择齿数比是指两个相邻齿轮的齿数比值，它直接影响到齿轮传动系统的传动比和传动效率。
在风力发电机齿轮传动系统中，一般会选择齿数比较大的齿轮来实现传动比的增大。
齿数比选择的依据是满足风力发电机的输出转速要求和传动效率的最大化。
此外，还应考虑到齿轮的材料和加工工艺等因素的限制。
四、风力发电机齿轮传动系统参数优化设计针对风力发电机齿轮传动系统的参数分析结果，可以根据实际的工作条件和要求进行优化设计。
渐开线斜齿行星轮系振动特性的模态分析
关键词 ： 斜 齿行 星轮 系 ： 参 数 化设 计 ； 模 态分 析 ； 共 振 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｈｌ ６ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ — ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０ — ０ ２ ０ ６ — ０ ３
Ｔｈ ｅ Ｍｏ ｄ ａ Ｉ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ Ｖｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｖ ｏ ｌ ｕ ｔ ｅ Ｈｅ ｌ ｉ ｃ ａ ｌ Ｐｌ ａ ｎ ｅ ｔ ａ ｒ ｙ Ｇｅ ａ ｒ Ｔｒ ａ ｉ ｎ Ｂ Ａ Ｉ Ｊ ｕ ｎ — ｆ ｅ ｎ ｇ ， ＷＡＮ Ｇ Ｓ ｈ ｉ － ｊ ｉ ｅ ， Ｘ Ｉ Ｅ Ｋ ｕ ｎ ， Ｂ Ａ Ｉ Ｙｉ — ｃ ｈ ｕ ａ ｎ ， Ｃ Ｈ Ｅ Ｎ Ｍｉ ｎ ｇ — ｆ ｅ ｉ ， ＷＡ Ｎ Ｇ Ｎ ａ
Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｈｅ ｌ ｉ ｃ ａ ｌ Ｐｌ ａ ｎ ｅ ｔ ａ ｒ ｙ Ｇｅ ａ ｒ Ｔｒ ａ ｉ ｎ； Ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ； Ｍｏ ｄ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ； Ｒｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ
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３ ． Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ Ｎ ｏ Ａ ｈ Ｔ ｒ ａ ｆ ｆ ｉ ｃ Ｈｅ ａ ｖ ｙ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ ，Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ， Ｌ ｉ ａ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ ０ １ ５ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的研究
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2017年第22期·131·文章编号：2095－6835（2017）22－0131－02风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的研究赵巍（卓轮（天津）机械有限公司，天津300457）摘要：为了积极响应国家建设生态环境友好型社会的要求，尽可能减少资源和能源的消耗，避免污染或破坏环境，风力发电俨然已经成为了当前电力行业的“新宠儿”。
随着风力发电规模的不断扩大，风力发电机组也越来越大型化，传统的齿轮传统系统也面临着更新换代的问题。
在此背景下，着重围绕风力发电机齿轮传动系统的动态优化设计进行简要分析研究，以期为日后相关工作的顺利进行提供参考。
关键词：风力发电机；齿轮传动系统；动态优化设计；行星轮中图分类号：TM315文献标识码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2017.22.131目前，国内外关于齿轮传动系统动态特性的研究成果众多，这为风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的研究奠定了良好的理论基础。
但是，在相关研究中，有关动态设计方法和设计齿轮传动系统内部较为复杂的动态特性的研究数量相对比较少。
因此，本文将在简单介绍风力发电机齿轮传动系统及其结构的基础上，尝试采用多目标设计的方法探究风力发电机齿轮传动系统动态优化设计。
1风力发电机齿轮传动系统及其结构为了更好地研究风力发电机齿轮传动系统的动态优化设计，本文以1.5MW 风力发电机齿轮传动系统作为研究对象。
该系统采用的是两级斜齿轮传动搭配一级NGW 型行星齿轮的传动结构，其中，两级斜齿轮副分别为中速级和高速级，而NGW 型行星齿轮的传动则为低速级[1]。
风力发电系统主要是将机械能转化为电能，风力机叶片负责完成风能向机械能的转化，转化后的机械能将经由主轴传递至行星架中，并充当齿轮箱输入。
此后，随着齿轮箱速度的不断增加，经由驱动发电机的高速端输出之后，机械能实现了向风能的转化。
风力发电机齿轮传动系统及动力可靠性概率优化设计
风力发电机齿轮传动系统及动力可靠性概率优化设计发表时间：2020-01-09T13:53:07.020Z 来源：《电力设备》2019年第19期作者：鲜朝鹏[导读] 摘要:在飞速发展的时代背景之下，响应国家政策要求，新型能源的开发和研究逐步走上了历史的舞台，扮演着举足轻重的角色，其中风电产业的开发，使得风电产业设备的研究愈发重要，鉴于我国风电产业设备起步相对较晚，尤其是国内的前期风力发电齿轮设备研究技术相对落后，存在一定的技术缺点，那么为推动风力发电行业繁荣进步，深入进行齿轮传动系统以及动力可靠性概率优化设计研究，显得尤为重要。
(东方电气风电有限公司四川省德阳市 618000) 摘要:在飞速发展的时代背景之下，响应国家政策要求，新型能源的开发和研究逐步走上了历史的舞台，扮演着举足轻重的角色，其中风电产业的开发，使得风电产业设备的研究愈发重要，鉴于我国风电产业设备起步相对较晚，尤其是国内的前期风力发电齿轮设备研究技术相对落后，存在一定的技术缺点，那么为推动风力发电行业繁荣进步，深入进行齿轮传动系统以及动力可靠性概率优化设计研究，显得尤为重要。
本文通过对风力发电机的结构、原理的深入了解及齿轮传动系统的运作原理，以及对传动影响因素讨论，并结合动力可靠性概率分析，探讨优化设计的方案，从而提升传动系统在风力发电机工作进程的传动效率。
关键词:风力发电机；齿轮传动系统；动力可靠性；概率优化设计；一、风力发电机齿轮传动系统研究（一）风力发电机1.风力发电机系统结构及工作原理风力发电机作为风力发电的核心工作部位，主要构成结构为齿轮增速箱、电机、桨叶板、操作设施、连接电线、支架设施及其他连接子部件构成，其中提供动力的核心位置为齿轮传动系统。
风力发电机工作原理：发电机主要功能为将大自然中的风能转换为机械能，然后机械能通过风力电机的传动系统转换机械能为电能，具体体现为桨叶将风能转换为机械能，桨叶转动经由传动系统加速转动传导动能至电机，从而发电。
基于动力学的风电增速箱多级齿轮传动系统可靠性评估
1.1暋 系 统 动 力 学 模 型 目前1.5 MW 风 力 发 电 机 齿 轮 传 动 大 都 采
用 NGW 型行星 传 动 和 两 级 平 行 轴 传 动 的 方 式, 其传动结构见图1。图1中,r、s、p、c、g分 别 表 示 内齿圈、太阳轮、行星轮、行 星 架、齿 轮;pj(j=1, 2,3)表示第j个行星轮;Tin、Tout 分别表示输入和 输出转矩。
0暋 引 言
在由随机风速变化引起的外部复杂变载荷和 内部齿轮与轴承耦合的共同作用下,风力发电机传 动系统中的齿轮啮合力和轴承接触力随时间动态 变化,这是导致风力发电机增速箱失效率高的重要 原因 。 [1] 因此,传统基于静载荷作用的机械可靠性 设计和评估方法无法反映风力发电机实际工作情 况,其可靠性 设 计 和 评 估 的 精 度 不 高,不 能 满 足 风 力发电机齿轮传动系统长寿命和高可靠性的要求。
基 于 动 力 学 的 风 电 增 速 箱 多 级 齿 轮 传 动 系 统 可 靠 性 评 估 ——— 徐 暋 芳 暋 周 志 刚 暋 李 迎 春 等
基于动力学的风电增速箱多级齿轮 传动系统可靠性评估
徐 暋 芳1暋 周 志 刚1暋 李 迎 春1暋 秦 大 同2
1.河 南 科 技 大 学 ,洛 阳 ,471003暋 暋2.重 庆 大 学 机 械 传 动 国 家 重 点 实 验 室 ,重 庆 ,400044
根据拉格朗日方程推导出矩阵形式的系统弹 性动力学方程为
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图2暋 风力发电机齿轮传动系统耦合动力学模型
Mq暓+ (C+氊cG)q· + (Kb(t)+
Km (t)+氊2 cK氊 )q = T(t)+F(t)
风电齿轮传动系统结构参数优化设计与仿真分析
风电齿轮传动系统结构参数优化设计与仿真分析顾涛;何辉波;李华英;李丽【摘要】根据风电齿轮箱设计的要求和工作的特点,对齿轮传动系统的优化问题进行了研究.建立了以齿轮的过度曲线干涉和齿轮传动的功率密度等作为约束条件,以追求体积最小为目标的优化设计数学模型,利用Matlab的优化工具箱进行优化,并对实例进行分析.在此基础上,应用Romaxdesigner软件建立虚拟样机模型,在考虑齿轮重量的条件下对齿轮传动系统进行了谐响应分析.研究结果表明:优化后的体积减小了23.35％,减少了制造成本,使结构更紧凑;采用Romaxdesigner和优化分析结合,大大提高了设计的效率和质量,为风电传动系统的轻量化设计提供了理论依据.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】4页(P202-205)【关键词】齿轮传动;优化设计;仿真;谐响应【作者】顾涛;何辉波;李华英;李丽【作者单位】西南大学工程技术学院,重庆400715;西南大学工程技术学院,重庆400715;西南大学工程技术学院,重庆400715;西南大学工程技术学院,重庆400715【正文语种】中文【中图分类】TH16随着能源危机和环境污染问题的加剧，风能作为一种可持续发展的清洁能源，它的开发和利用显得尤为重要，而风力发电因其技术可靠、风电产品质量的提高和成本优势越来越受到人们关注。
风力发电机齿轮箱是一种在高空架设受变载荷风向作用的低速、重载的增速齿轮传动装置，它工作的环境和使用等特点使得其是风力发电机故障率较高的部件之一[1]。
近年来，风力发电机机组单机容量的逐渐增大，风电齿轮箱的可靠性与轻量化设计制造的矛盾日益突出。
因此，对风力发电机齿轮箱进行优化设计及仿真分析十分必要。
风力发电齿轮传动系统多以行星齿轮传动为主，因为行星齿轮传动相比于平行轴传动有很多优势，它具有结构紧凑、体积小、传动比大和传动效率高等特点。
长期以来，国内外学者对齿轮传动系统的系统建模、优化设计、动态特性等进行了大量研究。
风机齿轮传动系统整体方案的粒子群算法两层优化设计方法
风机齿轮传动系统整体方案的粒子群算法两层优化设计方法陆群峰;张保松【摘要】提出了一种基于粒子群两层优化的风机齿轮传动系统整体方案设计方法,在充分考虑风机齿轮传动系统内在机理的前提下,以系统整体的可靠性为设计目标,通过两层优化相结合的方式,使用改进的粒子群算法寻找整个优化空间中的最优设计方案.该设计方法能够有效避免齿轮传动系统中常出现的短板效应,提高风机齿轮传动系统的可靠性.【期刊名称】《传动技术》【年(卷),期】2016(030)001【总页数】7页(P14-20)【关键词】风机齿轮传动系统;粒子群算法;两层优化;整体设计方案【作者】陆群峰;张保松【作者单位】中国中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司;中国中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司【正文语种】中文【中图分类】TH132.41风力发电机组的主齿轮箱是机组中一个非常重要的机械部件，传动比大，传递功率高[1]。
风电机组往往安装于偏远的荒野、高山、甚至海域等地，难以到达[2]；其齿轮箱所在的机舱空间非常狭小，维修十分不易[3]，而如将齿轮箱从风机上吊装至地面维修，费用难以承受；这就迫使风机齿轮箱比普通齿轮箱有更高的可靠度要求。
风机齿轮箱的损坏约90%是由于在某一个齿轮失效，其造成的损失却大大超过该齿轮本身的价值，这就是风电齿轮箱中常出现的短板效应，因此在设计初期就缩短各齿轮间的寿命差距是十分必要的。
传统的齿轮传动设计采用手工计算和经验相结合，在有限的几组方案中选择一组较优的方案。
这种方法存在效率较低且无法保证方案最优的缺点[4]。
而目前行业内采用的优化设计方法多是对某些优化算法的简单借用，并未考虑齿轮传动系统本身的特点。
另外，优化目标往往以齿轮总体重量最轻作为衡量指标[5～7]。
这样的优化方法并不完全符合风电齿轮箱的特殊要求：相比于可靠度的提高所带来的风电后期维护费用的降低，由重量的减轻所引起的初次投入费用的降低是非常有限的。
有鉴于此，本文提出了一种基于粒子群两层优化的风机齿轮传动系统整体方案设计方法，在充分考虑风机齿轮传动系统内在机理的前提下，面向了系统整体的可靠性，通过粒子群算法寻找整个优化空间中的最优解。
风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的开题报告
风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的开题报告一、选题依据和研究背景随着能源需求和环境保护的日益重要，风能作为一种清洁、可再生的能源得到了越来越广泛的关注和使用。
风力发电机是利用风能将其转化为电能的主要设备。
在风力发电机中，齿轮传动系统是核心部件之一，其传动效率和寿命直接关系到风力发电机的经济性和可靠性。
目前，国内外都在开展风力发电机齿轮传动系统的优化设计研究。
传统方法主要是规划在设计前进行静态优化设计，但仅考虑到初始工况的齿轮动态载荷分布，并忽略了齿轮传动系统的非线性、瞬态和耦合效应，不能真实地反映出齿轮传动在工作过程中的真实状态，因此无法满足高精度、长寿命和低噪音的发电机要求。
因此，开展齿轮系统动态优化设计显得非常必要。
二、研究目的和意义本文旨在研究风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的方法和技术，探究全局优化算法在齿轮系统动态优化设计中的应用，为提高风力发电机的经济性、可靠性和性能贡献力量。
三、研究内容和技术路线1.齿轮传动系统动态载荷分析方法研究2.齿轮系统多学科优化设计理论及方法研究3.齿轮系统动态优化设计算法研究4.齿轮系统动态优化设计的实验研究与分析技术路线：1.采集齿轮传动数据实现动态载荷分析；2.探究齿轮系统多学科优化设计理论及方法；3.通过分析算法优点与缺点，确定最优算法；4.利用仿真软件验证优化设计的正确性；5.通过实验验证优化设计的正确性。
四、预期成果和论文结构预期成果：通过对风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的研究，设计出高精度、长寿命和低噪音的风力发电机齿轮传动系统，提高风力发电机的经济性、可靠性和性能。
论文结构：第一章绪论1.1 选题背景及意义1.2 国内外研究现状1.3 研究内容和技术路线1.4 预期成果和论文结构第二章齿轮传动系统动态载荷分析方法研究2.1 风力发电机齿轮传动系统结构特点2.2 齿轮动态载荷特点分析2.3 鉴于齿轮系统载荷特点的分析及其对传动性能的影响，开展齿轮传动系统动态载荷分析方法的研究，研究分析方法及其完整性第三章齿轮系统多学科优化设计理论及方法研究3.1 齿轮系统静态优化设计方法分析3.2 多学科协同优化方法分析3.3 新型多学科协同优化方法研究第四章齿轮系统动态优化设计算法研究4.1 求解算法优势及不足的分析4.2 全局优化算法在齿轮系统动态优化设计中的应用研究4.3 齿轮系统动态优化设计算法理论模型的建立第五章齿轮系统动态优化设计的实验研究与分析5.1 实验研究方法5.2 实验结果及分析5.3 分析其可靠性与稳定性并对其进行评价第六章结论与展望6.1 研究成果概述6.2 研究结论研究方向展望6.3 研究不足与展望参考文献。
风力发电机组齿轮传动系统动力学研究的开题报告
风力发电机组齿轮传动系统动力学研究的开题报告一、选题背景与意义随着能源需求的增加和环境问题的加剧，风力发电作为清洁能源的代表之一，受到了越来越广泛的关注。
风力发电机组的齿轮传动系统是其关键部件之一，其稳定性和可靠性直接影响风力发电机组的工作效率和寿命。
因此，对风力发电机组齿轮传动系统的动力学特性进行深入研究，有助于提高风力发电机组的工作效率和寿命，促进清洁能源的可持续发展。
二、研究目的与内容1.研究风力发电机组齿轮传动系统的动力学特性，探究其受力、振动响应、稳定性等问题；2.建立风力发电机组齿轮传动系统的动力学模型，通过理论推导和仿真分析，对其动态响应进行定量研究；3.对风力发电机组齿轮传动系统的动力学特性进行实际测试，验证理论模型的准确性和有效性。
三、研究方法1.文献调研：对风力发电机组齿轮传动系统的动力学研究历史、现状进行全面归纳和分析；2.理论分析：基于动力学原理，建立风力发电机组齿轮传动系统的动力学模型，并分析其动态响应；3.仿真分析：利用Matlab等软件，对建立的模型进行仿真分析，验证理论模型的可靠性；4.实验检测：通过实际的试验测试，收集风力发电机组齿轮传动系统的动态特性数据，对理论模型进行修正和验证。
四、预期成果及进度1.建立风力发电机组齿轮传动系统的动力学模型；2.验证理论模型的准确性和有效性；3.撰写学位论文，发表相关学术论文；4.预计研究周期为2年。
五、研究的可行性分析1.建立理论模型和进行仿真分析的软件和技术均已成熟；2.现有的风力发电机组齿轮传动系统实验测试设备可满足研究需要。
六、参考文献1.陈华平, 王闲, 李炳勋. 风力发电机齿轮传动系统的动力学特性分析[J]. 机电工程, 2013, 30(05):623-626.2.王清伟, 张文涛, 孙喜升, 等. 巨型风力机齿轮传动系统的动力学分析与仿真[J]. 机械设计与制造, 2016(10):230-233.3.徐瑾. 风力发电机齿轮传动系统动力学研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2014.4.李鑫. 风力发电机齿轮传动系统动力学模拟研究[D]. 沈阳建筑大学, 2016.。