基于动力学和可靠性的风力发电齿轮传动系统参数优化设计_秦大同
风力发电机组齿轮箱设计与优化
风力发电机组齿轮箱设计与优化风力发电机组作为一种环保和可再生能源设备，在近年来得到了广泛的应用和发展。
而其中的齿轮箱设计和优化，则是影响整个发电机组性能和效率的重要因素之一。
本文将详细介绍风力发电机组齿轮箱的设计原理与优化方法。
一、齿轮箱设计原理风力发电机组的齿轮箱主要用于传动风力转子与发电机之间的转动力，同时还可以对转速比进行调节以提高系统效率。
一般来说，齿轮箱包括主减速箱和变速箱两部分。
主减速箱通常采用多级齿轮传动，通过不同的齿轮组合来实现不同的转速。
而变速箱则可以通过调整齿轮箱中液压传动系统或电子控制系统来实现转速的调节，以适应不同风速下的工作状态。
在设计齿轮箱时，需要考虑的因素包括传动效率、承载能力、噪音和振动等。
合理的齿轮参数设计和优化可以有效地提高齿轮箱的工作效率和寿命。
二、齿轮箱优化方法1. 材料选用优化：齿轮箱的耐磨损性、强度和重量等关键性能直接受材料选择的影响。
优化材料选用可以根据具体工况选择合适的合金钢、碳素钢或铝合金等材料，以提高齿轮箱的整体性能。
2. 齿轮参数优化：齿轮的模数、齿数、压力角等参数对齿轮箱的传动效率和噪音有着重要影响。
通过数值优化和仿真分析，可以对齿轮参数进行精确设计和调整，以实现最佳的传动效果。
3. 润滑系统优化：齿轮箱工作时，润滑油的选用和润滑系统的设计对齿轮箱的稳定性和寿命至关重要。
通过合理选择润滑油种类和油路设计，可以减少齿轮箱的摩擦损失和磨损，提高系统效率。
4. 结构强度优化：齿轮箱内部各部件的结构设计和强度分析是确保齿轮箱正常运行的重要环节。
通过有限元分析和结构优化，可以避免齿轮箱在高负荷工况下出现应力集中和疲劳断裂等问题。
结语风力发电机组齿轮箱的设计和优化是提高发电系统整体性能和可靠性的关键环节。
通过合理设计齿轮参数、材料选用、结构强度和润滑系统，可以有效地提高齿轮箱的使用寿命和工作效率，为风力发电行业的发展做出贡献。
希望通过本文的介绍，读者对风力发电机组齿轮箱的设计与优化有所了解和启发。
风力发电系统中的传动装置设计与优化
风力发电系统中的传动装置设计与优化风力发电系统是一种环保、可再生的能源系统，利用风能将其转化为电能。
而风力发电系统中的传动装置扮演着重要角色，它将来自风机叶片的旋转运动转化为发电机的转子旋转运动，从而产生电能。
本文将讨论风力发电系统中的传动装置设计与优化的问题。
首先，让我们了解一下风力发电系统的基本原理。
风力发电系统主要由风机叶片、传动装置和发电机等组成。
风机叶片的旋转由风力驱动，传动装置将旋转运动转化为线性运动，并传递给发电机，发电机则将机械能转化为电能输出。
在传动装置的设计过程中，有几个关键因素需要考虑。
首先是传动装置的效率。
传动装置的效率决定了风力的转化效率和电能的转化效率。
因此，在设计过程中，应该尽可能提高传动装置的效率，减少能量损失。
例如，选择高效的齿轮传动系统、使用优质的轴承等，都可以提高传动装置的效率。
其次是传动装置的可靠性和稳定性。
风力发电系统通常运行在较为恶劣的环境中，如高风速、低温等。
因此，传动装置需要能够承受较大的负载和振动，并保持稳定运行。
在设计过程中，应该选择材料强度高、耐磨损、耐腐蚀的零部件，确保传动装置的可靠性和稳定性。
另外，传动装置的体积和重量也是需要考虑的因素。
风力发电系统往往需要建在高海拔或离岸等较为复杂的环境中。
在这些环境下，传动装置需要具备较小的体积和重量，以便于安装和维护。
因此，在设计过程中，应该采用轻量化的结构和材料，以减小传动装置的体积和重量。
除了上述的基本要求外，传动装置的设计还应考虑到动力分配的均匀性和系统的灵活性。
传动装置需要能够平衡不同风速下的功率输出，并适应系统的变化。
因此，在设计过程中，应该合理选择齿轮的参数、采用可调节的软连接等方式，以实现动力的均匀分配和系统的灵活性。
为了优化风力发电系统中的传动装置设计，可以采用多种方法。
首先，可以通过数值模拟和实验测试相结合的方式，对不同的传动装置方案进行评估和比较。
通过模拟分析，可以获得传动装置的动力学特性、能量损失等参数，从而为设计提供依据。
变风速运行控制下风电传动系统的动态特性_秦大同
Dynamic Characteristics of Wind Turbine Transmission System under Verying Wind Speed and Operation Control Conditions
QIN Datong LONG Wei YANG Jun ZHOU Haibo
摘要：基于齿轮系统动力学的方法对风电传动系统进行研究。运用基于自回归模型的线性滤波法(Auto-regressive，AR)建立 的风速模型对实际风场的随机风速进行模拟；根据风力发电机在实际情况中的运行控制策略获得风力发电机齿轮传动系统的 时变输入转矩激励；综合考虑风力发电机齿轮传动系统中各个齿轮副的时变啮合刚度、各个滚动轴承的刚度、各个轮齿综合 啮合误差等内部激励，采用集中参数质量法建立风力发电机齿轮传动系统的耦合动力学模型；在此基础上建立风力发电机齿 轮传动系统的动力学微分方程并进行仿真计算，分别求解风力发电机齿轮传动系统的固有频率、振动响应、动态啮合力和滚 动轴承动态轴承力。研究结果为风力发电机传动系统的动态性能优化设计和可靠性设计奠定了基础。 关键词：随机风速 风力发电机 齿轮传动 运行控制 动态特性 中图分类号：TH132
c Jc c c c kcc Tin (F kfs F cfs )r bc ( F krf F crf )r bc
i 1 i 1 3 3
Fkpg k pg (t ) x pg
pg Fcpg c pg (t ) x
(3)
式中，kpg(t)和 cpg(t)分别是时变啮合刚度和阻尼。 将所有构件的振动微分方程写成如下矩阵形式 + c (t ) x + k (t ) x = F (t ) Mx (4) 式中，x=(θc，Xc，Yc，θs，Xs，Ys，θp1，ηp1，ξp1，θp2， ηp2，ξp2，θp3，ηp3，ξp3，θ1，X1，Y1，θ2，X2，Y2，θ3， X3，Y3，θ4，X4，Y4)，M 为广义质量。
风力发电增速齿轮箱的优化设计和制造工艺研究
风力发电增速齿轮箱的优化设计和制造工艺研究风力发电是一种清洁可再生能源，具有巨大的发展潜力。
在风力发电系统中，风力发电机组的齿轮箱是将风轮转速转换为发电机额定转速的重要装置。
因此，优化设计和制造工艺研究风力发电增速齿轮箱是提高风力发电机组的效率和可靠性的关键。
优化设计是风力发电增速齿轮箱研究的核心和重点。
在设计过程中，需要考虑多个因素，如功率传递、结构强度、传动效率等。
首先，遵循工作原理和结构特点，齿轮的选材和形状要满足强度要求和传动效率要求。
同时，考虑到发电机组的运转稳定性，齿轮箱的设计要优化噪声和振动的控制。
其次，在参数设计中，需要合理选择齿轮模数、齿轮啮合系数、齿数比等参数，以提高传动效率和减少齿轮磨损。
此外，对齿轮箱的润滑系统设计也是优化设计的重要一环。
合理的润滑系统可以降低齿轮运动过程中的摩擦和磨损，延长齿轮的使用寿命。
齿轮箱的制造工艺对其性能和可靠性也有重要影响。
在制造工艺研究中，重点关注工艺参数的选择和工艺流程的优化。
首先，要选择适合的材料，具备良好的机械性能和热处理加工性能。
其次，针对齿轮的车削、滚齿、热处理等工艺进行研究，以保证齿轮的精度和强度。
针对大规模风力发电机组，还需要考虑齿轮箱的重量和体积。
因此，通过优化制造工艺，可以降低齿轮箱的重量和体积，提高系统的整体效率。
除了优化设计和制造工艺的研究，对风力发电增速齿轮箱的可靠性和寿命进行评估也是必要的。
可以通过实验和数值模拟的方法，对齿轮的载荷、应力和疲劳寿命进行分析，以评估齿轮箱的工作可靠性。
此外，对齿轮箱的故障诊断和预测方法也是研究的重点。
通过对齿轮箱运行状态的检测和监控，可以提前发现潜在故障，采取相应措施进行维修和保养，降低故障率和提高系统的可靠性。
在风力发电技术的发展中，风力发电增速齿轮箱的优化设计和制造工艺研究是持续推进的。
优化设计可以提高风力发电机组的整体效率和可靠性，降低能源成本，减少对传统能源的依赖。
制造工艺的研究可以提高齿轮箱的制造精度和质量，延长其使用寿命。
风力发电机齿轮传动系统的动态优化设计
重庆大学学报 Jour nal of Cho ng qing U niv ersity
Vo l. 33 No . 3 M ar. 2010
文章编号: 1000 - 582X( 2010) 03 - 030 - 06
风力发电机齿轮传动系统的动态优化设计
张庆伟, 张 博, 王建宏, 秦大同
1
1. 1
传动系统动力学模型
集中参数模型 图 1 为兆瓦级风力发电机组齿轮箱传动系统简
T in ) 低速端输入转矩 ; T o ut ) 高速端输出转矩 ; Pi ) 第 i 个行 星轮( i = 1 , 2, ,, N p ) , N p 为行星轮数目 ; c ) 行星架 ; r ) 内齿圈 ; s ) 太阳轮 ; 1 , 2, 3, 4 ) 各级定轴圆柱齿轮 图1 齿轮传动系统简图
( 2)
Mx & + Cx + Kx = F, ( 3) 式中: x 表示 位移矢量, x = [ uc , up1 , u p2 , u p3 , u s ,
#
u 1 , u2 , u 3 , u 4 , v 1s , v 23 , v 4 ] T ; v 1s 、 v 23 、 v 4 表示定轴 级各传动轴的轴向振动; M、 C、 K 分别为质量矩阵、 阻尼矩阵、 刚度矩阵, F 表示外载荷向量。 1. 2 系统激励分析 1 . 2. 1 时变啮合刚度 齿轮轮齿啮合过程中同时参与啮合的轮齿对数
收稿日期 : 2009 - 10 - 10 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50675231) ; 国家支撑计划项目 ( 2006BAF 01B07 - 01) 作者简介 : 张庆伟 ( 1959 - ) , 女 , 重庆大学副教授 , 主要从事机械传动及设计研究 , ( E - mail) zqwqlt@ 163. com 。
风电齿轮箱可靠性分析与研究
风电齿轮箱可靠性分析与研究摘要：在我国风电机组一般安装在高山、荒原、海岛等风口处，容易受到沙尘、低温、台风、冰雪、盐分等恶劣气候环境的影响。
由于风电机组经常受无规律的、变向的、变负荷的风力作用，会导致叶片表面损伤乃至脆断。
齿轮箱密封润滑系统功能退化、低温停机较长时间后变速箱内油温低、黏稠度大等都会降低液压系统寿命。
传动链特别是齿轮箱系统中由关键零部件失效引发故障而导致停机的时间占机组总停机时间的比例居高不下是影响系统性能和可靠性服役的关键性问题。
关键词：风电齿轮箱；失效；可靠性分析1.风电齿轮箱主要失效形式根据失效部位进行分类，风电齿轮箱的故障主要有箱体故障、行星架故障、轴故障、齿轮故障、轴承故障及润滑冷却系统故障等。
突发性的阵风或者电网故障导致的突发载荷、发生故障时的紧急制动等，都会产生较大载荷，有时甚至超过额定载荷数倍，引起齿轮的过载折断。
齿轮损伤主要包括轮齿折断（断齿）、齿面疲劳（点蚀）、齿面胶合、齿面磨损等。
从应用初期的微点蚀，到逐步扩展的大面积点蚀、剥落或磨损。
断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。
由于齿面在交变载荷下承受过大的接触剪应力、过多的应力循环次数，因此齿面容易发生胶合、点蚀、齿面剥落、表面压碎等损伤。
另外轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等也会引起轮齿的冲击折断.比较典型的是行星轮系，行星轮在运转过程中总是双向受力，受齿轮精度、强度的影响，容易出现疲劳断齿现象。
行星架损坏部位容易出现在行星孔等强度较弱的部位以及与行星轮或行星架轴承相近的部位。
1.1轴承轴承是齿轮箱中另一个重要故障源。
由于安装、润滑、污染和工作环境等因素，轴承出现了磨损超负载、过热、腐蚀、导电、疲劳等现象，使轴承产生点蚀、裂纹、表面剥落等问题而失效，从而使齿轮箱发生损坏在低速输入端，低速重载情况比较典型，良好的润滑条件难以形成，这是造成主轴轴承损坏的重要原因。
高速端的轴承，因为发电机轴和齿轮箱高速轴连接中通常存在角度偏差和径向偏移，它们随输出功率的变化而变化；这会产生一定频率的轴向和径向的扰动力，从而引起轴承温升而使轴承损坏。
随机风速下风力发电机传动系统动态外载荷计算
β η
x η
β-1
exp -
x η
β
（1）
式中：β 为形状参数；η 为尺度参数。
两 参 数 威 布 尔 分 布 定 义 域 为 （0，+∞）， 与 风 力
机工作的实际风速范围不符。 为了更加符合工程
实际和运算方便，本文引入风速基准参数 Vfl：
Vfl=fl（Vmin）
（2）
式中：Vmin 为风速最小值；fl 为计算不 大 于 某 值 的
电机以定速 S1 运行， 此时风力发电机不发电；随 着风速的增大，风力发电机运行于 AD 段，此时风 力发电机跟踪最大风能利用系数， 在此可将 AD 段定义为最优控制曲线；当风速大于额定风速时，
·22·
风力发电机沿着曲线 DE 运行， 此时随着风速的 增大，叶片攻角增大，风轮处于失速状态，通过功 率限制控制器使功率保持在额定值， 同时保证传 动系统不因过载而引起应力破坏， 在高风速时根 据风力发电机的额定功率限定载荷的最大值。
由于变速型风力发电机在转速控制方面更具 有代表性和实用性，并且计算较为简单，因此本文 以变速型风力发电机为例说明功率调节的控制策 略。当风速低于额定风速时，风机尽可能地捕捉风 能；当风速高于额定风速时，风力发电机以额定功 率运行。 图 1 中 S1ABCDE 为风力发电机的理论运 行 曲 线 ，S1A 段 表 示 风 速 低 于 切 入 风 速 时 风 力 发
坐标转化后，得到叶片微段处的相对速度为
V0= 姨V0x2+V0y2
（9）
V0 的 X 轴分量 V0x 和 Y 轴分量 V0y 分别为
姨姨姨V0x=V1(cosγ*cosθ+sinθsinχsinγ*）-
姨
姨 姨姨
盾构机刀盘驱动多级行星齿轮传动系统的多目标优化_秦大同
应力 Ｓ 计算 式 中 各 参 量 的 定 义 详 见 Ｘ， Ｆ ｉ（ ｔ） ／ 《 Ｇ ＢＴ ３ ４ ８ ０－１ ９ ９ ７ 渐开 线 圆 柱 齿 轮 承 载 能 力 计 。 由于优 化 求 解 的 过 程 是 使 目 标 函 数 最 算方法 》 ）取倒数 ， 为此将式 （ 记为 小， １
／ Ｘ）＝ １ Ｒｓ（ Ｘ）＝ １（ ｆ ／ １
Ｒｓ（ Ｘ）＝
（ ｅ ｘ － ｐ
＋∞ －∞
１ 设计变量
， 对于单 级 ２ 设 传 动 比 为ｉ Ｋ－Ｈ 行 星 轮 系 ， 太阳轮齿数为ｚ 当采用等角变位时 ， 其内外啮合 ｓ， 则可分别由传动比条件和同轴 的啮合角 α 相 等 ， 条件求出内齿轮齿数 ｚ 即 ｒ 和行星轮齿数 ｚ ｐ，
） ｚ ｉ－１ ｒ ＝ｚ ｓ（ ） ｚ ｉ－２ ｓ（ ２
当Ｓ 为弯曲应力时 ， Ｘ， Ｆ ｉ（ ｔ）
Ｆ ｔ Ｓ Ｘ， Ｆ ＹＦ ＹＳ Ｙε ＹβＫＡＫＶＫＦ ＝ ｉ（ ｔ） α α α βＫＦ ｂ ｍｎ
ｚ ｐ ＝
在优化 设 计 时 ， 将影响目标函数的独立参数 列入设计变量 。 对于盾构机三级行星齿轮传动系 ） ， 统（ 图１ 独 立 的 设 计 参 数 有： 各级太阳轮齿数 各级 齿 轮 模 数 ｍ１ 、 各级齿轮齿 ｚ ｚ ｚ ｍ２ 、 ｍ３ ， １、 ２、 ３， 宽ｂ 各 级 传 动 比ｉ 各级齿轮啮合 ｂ ｂ ｉ ｉ １、 ２、 ３， １、 ２、 ３， 角α Ｎ２ 、 Ｎ３ 。 α α １、 ２、 ３ 及各级行星轮个数 Ｎ１ 、
９ － １ ０］ ； 或者以系统可靠度最大进行 系统的可靠 度 ［
单目标优化 ， 而 未 考 虑 系 统 动 力 学、 体 积／质 量 等
１ １］ 。对于充分考虑行星传动系统 其他性能 因 素 ［
齿轮动力学国内外研究现状资料
1.2.1 齿轮系统动力学研究从齿轮动力学的研究发展来看，先后进行了基于解析方法的非线性齿轮动力学研究、基于数值方法的齿轮非线性动力学研究、基于实验方法的齿轮系统的非线性动力学研究和考虑齿面摩擦及齿轮故障的齿轮系统的非线性动力学研究。
其中，解析方法包括谐波平衡法、分段技术法和增量谐波平衡法等；数值方法则不胜枚举，包括Ritz法、Parametric Continuation Technique方法等。
[1]齿轮系统间隙非线性动力学的研究起始于1967年K.Nakamura的研究。
[2]在1987年，H. Nevzat Özgüven等人对齿轮系统动力学的数学建模方法进行了详细的总结。
他分别从简化的动力学因子模型、轮齿柔性模型、齿轮动力学模型、扭转振动模型等几个方面分类，详细总述了齿轮动力学的发展进程。
[3]1990年，A. Kaharman等人分析了一对含间隙直齿轮副的非线性动态特性，考虑了啮合刚度、齿侧间隙和静态传递误差等内部激励的影响，考察了啮合刚度与齿侧间隙对动力学的共同影响。
[4] 1997年，Kaharaman和Blankenship对具有时变啮合刚度、齿侧间隙和外部激励的齿轮系统进行了实验研究，利用时域图、频域图、相位图和彭家莱曲线等揭示了齿轮系统的各种非线性现象。
[5]同年，M. Amabili和A. Rivola研究了低重合度单自由度的直齿轮系统的稳态响应及其系统的稳定性。
[6]2004年，A. Al-shyyab等人用集中质量参数法建立了含齿侧间隙的直齿齿轮副的非线性动力学模型，利用谐波平衡阀求解了方程组的稳态响应，并研究了啮合刚度、啮合阻尼、静态力矩和啮合频率对齿轮系统振动的影响。
[7]2008年，Lassâad Walha等人建立了两级齿轮系统的非线性动力学模型，考虑了时变刚度、齿侧间隙和轴承刚度对动力学的影响。
对非线性系统分段线性化并用Newmark迭代法进行求解，研究了齿轮脱啮造成的齿轮运动的不连续性。
风力发电机组设计中的传动系统优化
风力发电机组设计中的传动系统优化传动系统在风力发电机组设计中起着至关重要的作用。
一个高效、可靠的传动系统能够提高整个发电系统的性能和可靠性。
本文将讨论风力发电机组设计中传动系统优化的关键方面。
1. 传动系统的选择在进行传动系统的优化之前，首先需要选择适合的传动系统类型。
根据风力发电机组的规模和要求，可以选择直接驱动系统、间接驱动系统或混合驱动系统。
直接驱动系统通过直接连接发电机和风轮，减少了传动装置的损耗，提高了效率。
间接驱动系统使用变速箱将风轮的低速转动转换为高速转动，适用于大型风力发电机组。
混合驱动系统结合了直接驱动和间接驱动的优点，提供了更好的性能和可靠性。
2. 传动比的优化传动比是传动系统中非常重要的参数，它决定了发电机转速和风轮转速之间的关系。
传动比的选择需要考虑到风轮和发电机的特性，以达到最佳的功率转换效率。
传动比过低会导致发电机转速过高，增加机械压力和动力损耗；传动比过高则会导致发电机转速过低，降低了发电机的效率。
优化传动比可以通过合理选择变速箱的齿轮比来实现。
通过仿真和模拟分析，可以确定最佳的传动比，以满足风力条件下风轮和发电机的最佳匹配。
这样可以最大程度地提高能量转换效率，减少传动系统的能量损失。
3. 传动系统结构的优化传动系统的结构优化包括传动装置的布局和配套零部件的选择。
合理的布局设计能够减少传动系统的重量和体积，提高系统的可靠性和稳定性。
配套零部件的选择需要考虑其强度、耐磨性和寿命等方面的要求。
高性能的传动系统需要采用高强度材料和先进的制造技术。
材料的选择应考虑到在高速运转和恶劣环境条件下的耐久性和可靠性。
制造技术的应用可以提高传动系统的加工精度和装配质量，减少噪音和振动，提高系统的整体性能。
4. 自适应控制技术的应用利用自适应控制技术可以进一步优化风力发电机组的传动系统。
自适应控制技术能够根据风速和负载变化实时调整传动系统的工作状态，以实现最佳的能量转换效率。
自适应控制技术可以应用于传动系统中的变速箱和发电机控制系统。