风力发电机齿轮传动系统动态优化设计

风力发电作为一种可持续能源的产生方式,已经成为当今重要的发电形式。风力发电机齿轮传动系统作为风力发电机的关键部件,其性能好坏直接决定了风力发电机性能的好坏。风力发电机组向大型化方向发展对传动系统运行的稳定性和可靠性提出了很高的要求,而按常规设计方法设计的风力发电机齿轮传动系统,很难满足风力发电机在时变工况条件下和高空架设环境下的工作要求。因此,研究时变载荷条件下风力发电机齿轮传动系统的动态特性及动态优化设计是风力发电机设计中的重要任务之一。 本论文研究在国家自然科学基金项目和国家支撑计划项目资助下,应用齿轮系统动力学、数值计算方法和离散优化技术,对风力发电机齿轮传动系统的动态性能进行研究分析并在此基础上进行优化设计,为低振动、低成本的风力发电机齿轮传动系统设计提供方法和依据。主要的研究工作有: ①建立传动系统动力学分析模型:以1.5 MW风力发电机齿轮传动系统为研究对象,采用集中参数法建立传动系统的物理模型;综合考虑齿轮的时变啮合刚度、啮合误差、齿轮的扭转变形、轴向变形以及风速变化引起的外载波动,推导出齿轮传动系统的动力学微分方程;分析了系统的刚度激励、误差激励和阻尼,特别是对由风速变化引起的外载变化激励进行了深入分析。 ②系统求解分析:综合考虑时变刚度激励、啮合误差激励以及风速变化引起的外载波动,用谐波平衡法推导出传动系统振动模型的解析解,使复杂齿轮传动系统的动力学优化成为可能。 ③风力发电机齿轮传动系统多目标动态优化设计模型:以系统体积/重量最小和传动构件的扭转振动加速度最大值最小为目标函数,以传动构件的扭转振动加速度均方根值为动态性能约束,建立时变外载荷下系统的动态优化设计模型,基于Matlab编写了优化程序,采用混合离散变量优化方法进行优化。 ④风力发电机齿轮传动系统混合离散变量优化设计实例分析:采用自编的混合离散变量优化程序对风力发电机齿轮传动系统进行了多目标动态优化,并与原设计结果进行比较,结果表明优化后的设计参数能明显减小系统的振动和体积/重量,表明了本论文方法的合理性和可行性。