隨著風(fēng)電裝備行業(yè)的快速發(fā)展,人們對風(fēng)電傳動系統(tǒng)的各項性能提出了更高的要求,這使得風(fēng)力機的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)方面研究面臨著更嚴峻的挑戰(zhàn)。風(fēng)電增速器作為風(fēng)力機傳動的關(guān)鍵部件,它的性能優(yōu)劣直接影響著整個風(fēng)電系統(tǒng)的工況與壽命。而對風(fēng)電增速器性能的評價主要體現(xiàn)在兩方面,一是其工作運行的平穩(wěn)性,如齒輪傳動系統(tǒng)的振動與噪聲,主要通過動力學(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)確評價及改善風(fēng)電增速器的動力學(xué)性能與可靠性是發(fā)展高質(zhì)量風(fēng)電傳動系統(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,使得它的齒輪傳動系統(tǒng)面臨獨特的動力學(xué)問題,從而對風(fēng)電齒輪箱的動力學(xué)性能帶來影響,是導(dǎo)致傳動系統(tǒng)發(fā)生振動甚至基礎(chǔ)產(chǎn)生變形的原因之一。另外,由于它的工作環(huán)境特殊,拆裝維修費用高昂,因此對其可靠性有非常嚴格的要求,但不同風(fēng)場風(fēng)速分布的不確定性導(dǎo)致了它在復(fù)雜隨機載荷歷程中的可靠性分析和計算有了與以往不同的特點。這些都是發(fā)展高性能風(fēng)電增速器的設(shè)計關(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)電增速器的動態(tài)性能、可靠性等性能指標(biāo)進行了理論研究,內(nèi)容包括動力學(xué)建模、動態(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)計的一整套以非線性動力學(xué)理論為基礎(chǔ)的NW型風(fēng)電增速器關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)理論體系。主要研究工作如下:(1)非線性動力學(xué)建模。依據(jù)有限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摩擦、齒側(cè)間隙、時變嚙合剛度等多種非線性因素耦合的多自由度齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型,其中外部激勵考慮了脈動風(fēng)速時程的作用,并利用AR模型進行模擬。在模型的求解上,采用Lagrange三次插值的精細積分法,不僅能夠解決方程中含有簡諧非線性項以及時變參數(shù)的問題,而且在保證精度的前提下,求解過程易于實現(xiàn)。(2)動力學(xué)性能指標(biāo)的研究。通過對動力學(xué)模型的數(shù)值求解,研究了動態(tài)響應(yīng)以及行星輪系的均載特性等動態(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,定量評估了各項齒輪參數(shù)對動態(tài)性能指標(biāo)的影響程度,為風(fēng)電增速器齒輪傳動系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化以及動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)電傳動系統(tǒng)受變幅隨機外載荷且分布規(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)電齒輪傳動系統(tǒng)的時變可靠度模型,并以隨機攝動理論和Edgeworth級數(shù)法推導(dǎo)了該模型的求解方法求出了風(fēng)電齒輪傳動系統(tǒng)的時變可靠度。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)可靠性靈敏度的計算式,并給出了其變化規(guī)律,定量評估了各項齒輪參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)可靠度的影響程度,這些結(jié)論都將為進一步的風(fēng)電增速器綜合性能優(yōu)化中設(shè)計變量選擇和優(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)電增速器模型中含有離散設(shè)計變量以及優(yōu)化目標(biāo)無法用函數(shù)表達的優(yōu)化問題。首先利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合了齒輪設(shè)計變量與動態(tài)性能之間的非線性映射關(guān)系,避免了優(yōu)化過程中計算機重復(fù)進行大規(guī)模微分方程組求解的繁瑣,從而縮短了優(yōu)化時間;然后利用改進后的進化算法(GA法與思維進化并行搜索)結(jié)合直接搜索的混合優(yōu)化算法對模型進行了優(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)電增速器動態(tài)性能目標(biāo)的優(yōu)化更有效。(5)工程實例及應(yīng)用。依據(jù)各項性能指標(biāo)的分析結(jié)果來確定設(shè)計變量與目標(biāo)的選擇,并利用本文提出的優(yōu)化方法,按照不同的多目標(biāo)方案對研究對象NW型風(fēng)電增速器進行了以體積、振動加速度、振動位移、均載性能和系統(tǒng)可靠度為目標(biāo)的多目標(biāo)綜合性能的優(yōu)化,通過對比不同方案優(yōu)化結(jié)果的優(yōu)勢與劣勢來確定多目標(biāo)處理的使用范圍,同時驗證了本文提出風(fēng)電增速器非線性動力系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計理論方法的可行性與實用性。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM614;TH132.41
【部分圖文】：

圖２．３基于ＡＲ模型的隨機風(fēng)速時程??Ｆｉｇ．２．３?Ｔｉｍｅ?ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ?ｗｉｎｄ?ｓｐｅｅｄ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ＡＲ??的載荷與傳遞??風(fēng)機氣動原理，風(fēng)輪通過吸收自然風(fēng)能產(chǎn)生的功率為［１５小??Ｐ＝ＣＰｐｎｒａ２ｖ＾?１２，Ｃｐ為風(fēng)能利用系數(shù)；ｐ為空氣密度；ｒａ為風(fēng)輪葉片半徑；ｖ為自然風(fēng)變速變槳調(diào)節(jié)原理及式２．９，并按照表２．１的參數(shù)取值，可得風(fēng)輪通過輸入功率與轉(zhuǎn)矩如圖２．４、２．５所示。??５ｒｘ１°６??＇￣￣１?１?１?１??２??■???＾?■２０?４０?６０?８０?１００?〇?２０?４０?６０?８０時間／Ｓ?時間／ｓ??圖２．４風(fēng)輪輸入功率?圖２．５風(fēng)輪輸入轉(zhuǎn)矩??４?Ｔｈｅ?ｏｕｔｐｕｔ?ｐｏｗｅｒ?ｏｆ?ｗｉｎｄ?ｒｏｔｏｒ?Ｆｉｇ．２．５?Ｔｈｅ?ｔｏｒｑｕｅ?ｏｆ?ｗｉｎｄ?ｒｏｔｏｒ??

?８??胸??圖２．２基于ＡＲ模型的脈動風(fēng)速功率譜?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??時間／Ｓ??圖２．３基于ＡＲ模型的隨機風(fēng)速時程??Ｆｉｇ．２．３?Ｔｉｍｅ?ｈｉｓｔｏｒｙ?ｏｆ?ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ?ｗｉｎｄ?ｓｐｅｅｄ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ＡＲ??２．３．２風(fēng)輪的載荷與傳遞??依據(jù)風(fēng)機氣動原理，風(fēng)輪通過吸收自然風(fēng)能產(chǎn)生的功率為［１５小??Ｐ＝ＣＰｐｎｒａ２ｖ＾?１２?（２．９）??式中，Ｃｐ為風(fēng)能利用系數(shù)；ｐ為空氣密度；ｒａ為風(fēng)輪葉片半徑；ｖ為自然風(fēng)速。依??據(jù)風(fēng)電機組變速變槳調(diào)節(jié)原理及式２．９，并按照表２．１的參數(shù)取值，可得風(fēng)輪通過吸收自?４??然風(fēng)產(chǎn)生的輸入功率與轉(zhuǎn)矩如圖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??時間／Ｓ?時間／ｓ??圖２．４風(fēng)輪輸入功率?圖２．５風(fēng)輪輸入轉(zhuǎn)矩??Ｆｉｇ．２．４?Ｔｈｅ?ｏｕｔｐｕｔ?ｐｏｗｅｒ

示風(fēng)載荷傳遞的這一特征，本文通過對風(fēng)輪輸入功率的波動離散點進行多項式擬合從而??形成平滑曲線的等效模型來表示風(fēng)載荷傳遞到風(fēng)電增速器時的輸入功率［｜９？］，得到的風(fēng)??電增速器在隨機風(fēng)載下的輸入功率如圖２．６所示。??７０００「??風(fēng)輪輸入功率??６〇〇〇｜?——增速器輸入功率??１０００！?＇?１?丨１??０?２０?４０?６０?８０?１００??＊?時間／Ｓ??圖２．６隨機風(fēng)載下的輸入功率??？?Ｆｉｇ．２．６?Ｔｈｅ?ｉｎｐｕｔ?ｐｏｗｅｒ?ｏｆ?ｇｅａｒ?ｂｏｘ?ｕｎｄｅｒ?ｒａｎｄｏｍ?ｗｉｎｄ?ｌｏａｄｓ??此結(jié)果作為風(fēng)電增速器動力學(xué)模型的外部激勵部分，至此，外部激勵的求解完成。??２．４內(nèi)部激勵??２．４．１嚙合剛度激勵??在齒輪嚙合過程中，對于直齒輪，嚙合剛度曲線近似于階躍式波形［１３＼可由傅里??葉級數(shù)來近似表達，見式２．８。??－２１?－??
【參考文獻】

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本文編號：2874921