NW型風電增速器的非線性動力學建模與綜合性能優(yōu)化設計.pdf

1、隨著風電裝備行業(yè)的快速發(fā)展，人們對風電傳動系統(tǒng)的各項性能提出了更高的要求，這使得風力機的設計關鍵技術方面研究面臨著更嚴峻的挑戰(zhàn)。風電增速器作為風力機傳動的關鍵部件，它的性能優(yōu)劣直接影響著整個風電系統(tǒng)的工況與壽命。而對風電增速器性能的評價主要體現(xiàn)在兩方面，一是其工作運行的平穩(wěn)性，如齒輪傳動系統(tǒng)的振動與噪聲，主要通過動力學特性來體現(xiàn);二是其使用壽命，主要通過可靠性評估來體現(xiàn)。因此，如何準確評價及改善風電增速器的動力學性能與可靠性是發(fā)展高質(zhì)量

2、風電傳動系統(tǒng)的前提。但由于它工作環(huán)境與結構的特殊性使它的性能研究面臨很多新問題。如在隨機風況下受載形式復雜以及大型化帶來的結構柔性加大等特點，使得它的齒輪傳動系統(tǒng)面臨獨特的動力學問題，從而對風電齒輪箱的動力學性能帶來影響，是導致傳動系統(tǒng)發(fā)生振動甚至基礎產(chǎn)生變形的原因之一。另外，由于它的工作環(huán)境特殊，拆裝維修費用高昂，因此對其可靠性有非常嚴格的要求，但不同風場風速分布的不確定性導致了它在復雜隨機載荷歷程中的可靠性分析和計算有了與以往不同的

3、特點。這些都是發(fā)展高性能風電增速器的設計關鍵技術中亟待解決的問題。
　　本文以大功率NW型（即無行星架等桿系結構的行星輪系）風電增速器為研究對象，針對前文提出的問題，對風電增速器的動態(tài)性能、可靠性等性能指標進行了理論研究，內(nèi)容包括動力學建模、動態(tài)性能指標的分析以及以此分析結果為依據(jù)的綜合性能優(yōu)化設計的一整套以非線性動力學理論為基礎的NW型風電增速器關鍵設計技術理論體系。主要研究工作如下:
　　(1)非線性動力學建模。依據(jù)有限

4、元離散化的思想建立了考慮內(nèi)齒圈彈性的等效模型，并在此基礎上建立了包含斜齒齒面滑動摩擦、齒側(cè)間隙、時變嚙合剛度等多種非線性因素耦合的多自由度齒輪傳動系統(tǒng)動力學模型，其中外部激勵考慮了脈動風速時程的作用，并利用AR模型進行模擬。在模型的求解上，采用Lagrange三次插值的精細積分法，不僅能夠解決方程中含有簡諧非線性項以及時變參數(shù)的問題，而且在保證精度的前提下，求解過程易于實現(xiàn)。
　　(2)動力學性能指標的研究。通過對動力學模型的數(shù)值

5、求解，研究了動態(tài)響應以及行星輪系的均載特性等動態(tài)性能指標，分析其影響因素并提出了改善措施。并推導出參數(shù)對性能指標的靈敏度算法，以靈敏度分析為手段，定量評估了各項齒輪參數(shù)對動態(tài)性能指標的影響程度，為風電增速器齒輪傳動系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化以及動力性能改善提供理論依據(jù)。
　　(3)可靠性指標的研究。在考慮風電傳動系統(tǒng)受變幅隨機外載荷且分布規(guī)律未知的情況下，建立了含有未知分布類型參數(shù)的風電齒輪傳動系統(tǒng)的時變可靠度模型，并以隨機攝動理論和Edge

6、worth級數(shù)法推導了該模型的求解方法求出了風電齒輪傳動系統(tǒng)的時變可靠度。然后依據(jù)直接導數(shù)法推導出了風電齒輪系統(tǒng)可靠性靈敏度的計算式，并給出了其變化規(guī)律，定量評估了各項齒輪參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)可靠度的影響程度，這些結論都將為進一步的風電增速器綜合性能優(yōu)化中設計變量選擇和優(yōu)化目標的確定提供理論依據(jù)。
　　(4)風電增速器復雜目標下的優(yōu)化設計方法。針對NW型風電增速器優(yōu)化模型的特殊性，本文采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡與混合優(yōu)化算法解決了風電增速器模型

7、中含有離散設計變量以及優(yōu)化目標無法用函數(shù)表達的優(yōu)化問題。首先利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡擬合了齒輪設計變量與動態(tài)性能之間的非線性映射關系，避免了優(yōu)化過程中計算機重復進行大規(guī)模微分方程組求解的繁瑣，從而縮短了優(yōu)化時間;然后利用改進后的進化算法(GA法與思維進化并行搜索)結合直接搜索的混合優(yōu)化算法對模型進行了優(yōu)化。通過與常規(guī)采用的matlab自帶優(yōu)化工具的結果相比，證明了本文提出的優(yōu)化方法對風電增速器動態(tài)性能目標的優(yōu)化更有效。
　　(5)工程實例