NW型风电增速器的非线性动力学建模与综合性能优化设计

发布时间：2020-11-08 14:41

　　 随着风电装备行业的快速发展,人们对风电传动系统的各项性能提出了更高的要求,这使得风力机的设计关键技术方面研究面临着更严峻的挑战。风电增速器作为风力机传动的关键部件,它的性能优劣直接影响着整个风电系统的工况与寿命。而对风电增速器性能的评价主要体现在两方面,一是其工作运行的平稳性,如齿轮传动系统的振动与噪声,主要通过动力学特性来体现;二是其使用寿命,主要通过可靠性评估来体现。因此,如何准确评价及改善风电增速器的动力学性能与可靠性是发展高质量风电传动系统的前提。但由于它工作环境与结构的特殊性使它的性能研究面临很多新问题。如在随机风况下受载形式复杂以及大型化带来的结构柔性加大等特点,使得它的齿轮传动系统面临独特的动力学问题,从而对风电齿轮箱的动力学性能带来影响,是导致传动系统发生振动甚至基础产生变形的原因之一。另外,由于它的工作环境特殊,拆装维修费用高昂,因此对其可靠性有非常严格的要求,但不同风场风速分布的不确定性导致了它在复杂随机载荷历程中的可靠性分析和计算有了与以往不同的特点。这些都是发展高性能风电增速器的设计关键技术中亟待解决的问题。本文以大功率NW型(即无行星架等杆系结构的行星轮系)风电增速器为研究对象,针对前文提出的问题,对风电增速器的动态性能、可靠性等性能指标进行了理论研究,内容包括动力学建模、动态性能指标的分析以及以此分析结果为依据的综合性能优化设计的一整套以非线性动力学理论为基础的NW型风电增速器关键设计技术理论体系。主要研究工作如下:(1)非线性动力学建模。依据有限元离散化的思想建立了考虑内齿圈弹性的等效模型,并在此基础上建立了包含斜齿齿面滑动摩擦、齿侧间隙、时变啮合刚度等多种非线性因素耦合的多自由度齿轮传动系统动力学模型,其中外部激励考虑了脉动风速时程的作用,并利用AR模型进行模拟。在模型的求解上,采用Lagrange三次插值的精细积分法,不仅能够解决方程中含有简谐非线性项以及时变参数的问题,而且在保证精度的前提下,求解过程易于实现。(2)动力学性能指标的研究。通过对动力学模型的数值求解,研究了动态响应以及行星轮系的均载特性等动态性能指标,分析其影响因素并提出了改善措施。并推导出参数对性能指标的灵敏度算法,以灵敏度分析为手段,定量评估了各项齿轮参数对动态性能指标的影响程度,为风电增速器齿轮传动系统的参数优化以及动力性能改善提供理论依据。(3)可靠性指标的研究。在考虑风电传动系统受变幅随机外载荷且分布规律未知的情况下,建立了含有未知分布类型参数的风电齿轮传动系统的时变可靠度模型,并以随机摄动理论和Edgeworth级数法推导了该模型的求解方法求出了风电齿轮传动系统的时变可靠度。然后依据直接导数法推导出了风电齿轮系统可靠性灵敏度的计算式,并给出了其变化规律,定量评估了各项齿轮参数对系统动态可靠度的影响程度,这些结论都将为进一步的风电增速器综合性能优化中设计变量选择和优化目标的确定提供理论依据。(4)风电增速器复杂目标下的优化设计方法。针对NW型风电增速器优化模型的特殊性,本文采用了 BP神经网络与混合优化算法解决了风电增速器模型中含有离散设计变量以及优化目标无法用函数表达的优化问题。首先利用BP神经网络拟合了齿轮设计变量与动态性能之间的非线性映射关系,避免了优化过程中计算机重复进行大规模微分方程组求解的繁琐,从而缩短了优化时间;然后利用改进后的进化算法(GA法与思维进化并行搜索)结合直接搜索的混合优化算法对模型进行了优化。通过与常规采用的matlab自带优化工具的结果相比,证明了本文提出的优化方法对风电增速器动态性能目标的优化更有效。(5)工程实例及应用。依据各项性能指标的分析结果来确定设计变量与目标的选择,并利用本文提出的优化方法,按照不同的多目标方案对研究对象NW型风电增速器进行了以体积、振动加速度、振动位移、均载性能和系统可靠度为目标的多目标综合性能的优化,通过对比不同方案优化结果的优势与劣势来确定多目标处理的使用范围,同时验证了本文提出风电增速器非线性动力系统的相关设计理论方法的可行性与实用性。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM614;TH132.41
【部分图文】：

图２．３基于ＡＲ模型的随机风速时程??Ｆｉｇ．２．３?Ｔｉｍｅ?ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ?ｗｉｎｄ?ｓｐｅｅｄ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ＡＲ??的载荷与传递??风机气动原理，风轮通过吸收自然风能产生的功率为［１５小??Ｐ＝ＣＰｐｎｒａ２ｖ＾?１２，Ｃｐ为风能利用系数；ｐ为空气密度；ｒａ为风轮叶片半径；ｖ为自然风变速变桨调节原理及式２．９，并按照表２．１的参数取值，可得风轮通过输入功率与转矩如图２．４、２．５所示。??５ｒｘ１°６??＇￣￣１?１?１?１??２??■???＾?■２０?４０?６０?８０?１００?〇?２０?４０?６０?８０时间／Ｓ?时间／ｓ??图２．４风轮输入功率?图２．５风轮输入转矩??４?Ｔｈｅ?ｏｕｔｐｕｔ?ｐｏｗｅｒ?ｏｆ?ｗｉｎｄ?ｒｏｔｏｒ?Ｆｉｇ．２．５?Ｔｈｅ?ｔｏｒｑｕｅ?ｏｆ?ｗｉｎｄ?ｒｏｔｏｒ??

?８??胸??图２．２基于ＡＲ模型的脉动风速功率谱?１??Ｆｉｇ．２．２?Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ?ｐｏｗｅｒ?ｓｐｅｃｔｒｕｍ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ＡＲ??１５?１?１?１?１??暴１為明、麵??５?ｌ?＇?—－■■■＂－?丨?１???０?２０?４０?６０?８０?１００??时间／Ｓ??图２．３基于ＡＲ模型的随机风速时程??Ｆｉｇ．２．３?Ｔｉｍｅ?ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ?ｗｉｎｄ?ｓｐｅｅｄ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ＡＲ??２．３．２风轮的载荷与传递??依据风机气动原理，风轮通过吸收自然风能产生的功率为［１５小??Ｐ＝ＣＰｐｎｒａ２ｖ＾?１２?（２．９）??式中，Ｃｐ为风能利用系数；ｐ为空气密度；ｒａ为风轮叶片半径；ｖ为自然风速。依??据风电机组变速变桨调节原理及式２．９，并按照表２．１的参数取值，可得风轮通过吸收自?４??然风产生的输入功率与转矩如图２．４、２．５所示。??ｘ１〇６?５ｒｘ１°６??＿０?＇￣￣１?１?１?１??２??■???＾?■????Ｃ?０?２０?４０?６０?８０?１００?〇?２０?４０?６０?８０?１００??时间／Ｓ?时间／ｓ??图２．４风轮输入功率?图２．５风轮输入转矩??Ｆｉｇ．２．４?Ｔｈｅ?ｏｕｔｐｕｔ?ｐｏｗｅｒ

示风载荷传递的这一特征，本文通过对风轮输入功率的波动离散点进行多项式拟合从而??形成平滑曲线的等效模型来表示风载荷传递到风电增速器时的输入功率［｜９？］，得到的风??电增速器在随机风载下的输入功率如图２．６所示。??７０００「??风轮输入功率??６〇〇〇｜?——增速器输入功率??１０００！?＇?１?丨１??０?２０?４０?６０?８０?１００??＊?时间／Ｓ??图２．６随机风载下的输入功率??？?Ｆｉｇ．２．６?Ｔｈｅ?ｉｎｐｕｔ?ｐｏｗｅｒ?ｏｆ?ｇｅａｒ?ｂｏｘ?ｕｎｄｅｒ?ｒａｎｄｏｍ?ｗｉｎｄ?ｌｏａｄｓ??此结果作为风电增速器动力学模型的外部激励部分，至此，外部激励的求解完成。??２．４内部激励??２．４．１啮合刚度激励??在齿轮啮合过程中，对于直齿轮，啮合刚度曲线近似于阶跃式波形［１３＼可由傅里??叶级数来近似表达，见式２．８。??－２１?－??
【参考文献】

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1 刘长钊;秦大同;廖映华;;考虑齿面变摩擦系数的斜齿轮传动变速过程动力学分析[J];振动与冲击;2014年24期

2 郜浩冬;张以都;;含摩擦的汇流传动齿轮非线性动力学分析[J];振动.测试与诊断;2014年04期

3 张俊;刘先增;焦阳;宋轶民;;基于刚柔耦合模型的行星传动固有特性分析[J];机械工程学报;2014年15期

4 王一;王奇斌;张义民;;基于齿面摩擦的斜齿轮传动动力学特性分析[J];机械设计与制造;2013年10期

5 秦大同;周志刚;杨军;陈会涛;;随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统动态可靠性分析[J];机械工程学报;2012年03期

6 秦大同;肖正明;王建宏;;基于啮合相位分析的盾构机减速器多级行星齿轮传动动力学特性[J];机械工程学报;2011年23期

7 徐志杨;李艾民;张传辉;陈晓辉;;基于混合离散变量复合形法的弧齿锥齿轮优化设计[J];北京联合大学学报(自然科学版);2011年03期

8 陈惠;詹少华;阮进华;;基于MATLAB复合形法的二级圆柱齿轮减速器的优化设计[J];煤矿机械;2011年08期

9 戴志辉;王增平;焦彦军;;基于动态故障树与蒙特卡罗仿真的保护系统动态可靠性评估[J];中国电机工程学报;2011年19期

10 池巧君;吕震宙;赵新攀;;分布参数为随机变量情况下可靠性灵敏度求解的方向抽样法[J];机械工程学报;2011年12期

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3 杨剑峰;蚁群算法及其应用研究[D];浙江大学;2007年

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1 才进;风电增速器行星轮系动态性能分析与参数优化[D];大连理工大学;2012年

2 高小茜;风电齿轮箱轮齿接触有限元分析[D];大连理工大学;2008年

3 王建军;计入内齿圈弹性的直齿行星传动动力学研究[D];天津大学;2006年

本文编号：2874921