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.doc

1、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

2、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

3、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,

4、 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

5、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