NW型風(fēng)電增速器的非線性動(dòng)力學(xué)建模與綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著風(fēng)電裝備行業(yè)的快速發(fā)展，人們對風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能提出了更高的要求，這使得風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)方面研究面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。風(fēng)電增速器作為風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)的關(guān)鍵部件，它的性能優(yōu)劣直接影響著整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的工況與壽命。而對風(fēng)電增速器性能的評價(jià)主要體現(xiàn)在兩方面，一是其工作運(yùn)行的平穩(wěn)性，如齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲，主要通過動(dòng)力學(xué)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(zhǔn)確評價(jià)及改善風(fēng)電增速器的動(dòng)力學(xué)性能與可靠性是發(fā)展高質(zhì)量

2、風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的前提。但由于它工作環(huán)境與結(jié)構(gòu)的特殊性使它的性能研究面臨很多新問題。如在隨機(jī)風(fēng)況下受載形式復(fù)雜以及大型化帶來的結(jié)構(gòu)柔性加大等特點(diǎn)，使得它的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)面臨獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)問題，從而對風(fēng)電齒輪箱的動(dòng)力學(xué)性能帶來影響，是導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)甚至基礎(chǔ)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(fèi)用高昂，因此對其可靠性有非常嚴(yán)格的要求，但不同風(fēng)場風(fēng)速分布的不確定性導(dǎo)致了它在復(fù)雜隨機(jī)載荷歷程中的可靠性分析和計(jì)算有了與以往不同的

3、特點(diǎn)。這些都是發(fā)展高性能風(fēng)電增速器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)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(jié)構(gòu)的行星輪系）風(fēng)電增速器為研究對象，針對前文提出的問題，對風(fēng)電增速器的動(dòng)態(tài)性能、可靠性等性能指標(biāo)進(jìn)行了理論研究，內(nèi)容包括動(dòng)力學(xué)建模、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的分析以及以此分析結(jié)果為依據(jù)的綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的一整套以非線性動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的NW型風(fēng)電增速器關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)理論體系。主要研究工作如下:
　　(1)非線性動(dòng)力學(xué)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(chǔ)上建立了包含斜齒齒面滑動(dòng)摩擦、齒側(cè)間隙、時(shí)變嚙合剛度等多種非線性因素耦合的多自由度齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，其中外部激勵(lì)考慮了脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程的作用，并利用AR模型進(jìn)行模擬。在模型的求解上，采用Lagrange三次插值的精細(xì)積分法，不僅能夠解決方程中含有簡諧非線性項(xiàng)以及時(shí)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(shí)現(xiàn)。
　　(2)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的研究。通過對動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)值

5、求解，研究了動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及行星輪系的均載特性等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，分析其影響因素并提出了改善措施。并推導(dǎo)出參數(shù)對性能指標(biāo)的靈敏度算法，以靈敏度分析為手段，定量評估了各項(xiàng)齒輪參數(shù)對動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的影響程度，為風(fēng)電增速器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化以及動(dòng)力性能改善提供理論依據(jù)。
　　(3)可靠性指標(biāo)的研究。在考慮風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)受變幅隨機(jī)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(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)變可靠度模型，并以隨機(jī)攝動(dòng)理論和Edge

6、worth級(jí)數(shù)法推導(dǎo)了該模型的求解方法求出了風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)變可靠度。然后依據(jù)直接導(dǎo)數(shù)法推導(dǎo)出了風(fēng)電齒輪系統(tǒng)可靠性靈敏度的計(jì)算式，并給出了其變化規(guī)律，定量評估了各項(xiàng)齒輪參數(shù)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠度的影響程度，這些結(jié)論都將為進(jìn)一步的風(fēng)電增速器綜合性能優(yōu)化中設(shè)計(jì)變量選擇和優(yōu)化目標(biāo)的確定提供理論依據(jù)。
　　(4)風(fēng)電增速器復(fù)雜目標(biāo)下的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。針對NW型風(fēng)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(luò)與混合優(yōu)化算法解決了風(fēng)電增速器模型

7、中含有離散設(shè)計(jì)變量以及優(yōu)化目標(biāo)無法用函數(shù)表達(dá)的優(yōu)化問題。首先利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合了齒輪設(shè)計(jì)變量與動(dòng)態(tài)性能之間的非線性映射關(guān)系，避免了優(yōu)化過程中計(jì)算機(jī)重復(fù)進(jìn)行大規(guī)模微分方程組求解的繁瑣，從而縮短了優(yōu)化時(shí)間;然后利用改進(jìn)后的進(jìn)化算法(GA法與思維進(jìn)化并行搜索)結(jié)合直接搜索的混合優(yōu)化算法對模型進(jìn)行了優(yōu)化。通過與常規(guī)采用的matlab自帶優(yōu)化工具的結(jié)果相比，證明了本文提出的優(yōu)化方法對風(fēng)電增速器動(dòng)態(tài)性能目標(biāo)的優(yōu)化更有效。
　　(5)工程實(shí)例