风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的研究

赵巍

(卓轮(天津)机械有限公司,天津 300457)

风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的研究

赵巍

(卓轮(天津)机械有限公司,天津 300457)

为了积极响应国家建设生态环境友好型社会的要求,尽可能减少资源和能源的消耗,避免污染或破坏环境,风力发电俨然已经成为了当前电力行业的"新宠儿".随着风力发电规模的不断扩大,风力发电机组也越来越大型化,传统的齿轮传统系统也面临着更新换代的问题.在此背景下,着重围绕风力发电机齿轮传动系统的动态优化设计进行简要分析研究,以期为日后相关工作的顺利进行提供参考.

风力发电机;齿轮传动系统;动态优化设计;行星轮

目前,国内外关于齿轮传动系统动态特性的研究成果众多,这为风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的研究奠定了良好的理论基础.但是,在相关研究中,有关动态设计方法和设计齿轮传动系统内部较为复杂的动态特性的研究数量相对比较少.因此,本文将在简单介绍风力发电机齿轮传动系统及其结构的基础上,尝试采用多目标设计的方法探究风力发电机齿轮传动系统动态优化设计.

1 风力发电机齿轮传动系统及其结构

为了更好地研究风力发电机齿轮传动系统的动态优化设计,本文以1.5 MW风力发电机齿轮传动系统作为研究对象.该系统采用的是两级斜齿轮传动搭配一级NGW型行星齿轮的传动结构,其中,两级斜齿轮副分别为中速级和高速级,而NGW型行星齿轮的传动则为低速级[1].风力发电系统主要是将机械能转化为电能,风力机叶片负责完成风能向机械能的转化,转化后的机械能将经由主轴传递至行星架中,并充当齿轮箱输入.此后,随着齿轮箱速度的不断增加,经由驱动发电机的高速端输出之后,机械能实现了向风能的转化.每一个齿轮都会受到阻尼力、惯性力、弹性恢复力等各种力的影响,且每一种力之间相互平衡,因此,根据牛顿力学可以获得风力发电机齿轮传动系统的动力学方程.

2 风力发电机齿轮传动系统的动态优化设计

笔者在查阅大量相关研究文献的过程中了解到,风力发电机齿轮传动系统的动态优化设计主要包括动态分析和动态设计两大部分,也就是说,首先要根据机械动态性能建立起相关的力学微分方程,在此基础之上才能完成目标函数的确立,并设置与之相对应的约束条件,进而完成之后的机械动态优化设计.而学者苏帅团、熊诗波(2014)等人在其研究中使用微分方程组描述风力发电机齿轮传动系统的动态特性,即:

式(1)中:M,K和X为风力发电机齿轮传动系统的质量、阻尼和刚度矩阵;x(t)、)(tx˙和)(tx˙˙为位移、速度和加速度矢量;F(t)为激振力向量.

2.1 目标函数

根据风力发电机齿轮传动系统的动态特性,我们可以选择将行星轮和太阳轮等最大振动加速度作为动态优化目标函数[2].考虑到现实情况,风力发电机通常需要高空作业,因此,出于便于安装和控制成本等目的,其体积和质量也需要得到有效的控制.在这一设计理念下,本文将使用规格化加权的方法统一各个目标函数.如果使用fv1代表行星级体积分目标,则有:

式(2)中:das,dap,dar为齿轮齿顶圆直径;dfr为内齿轮齿根圆直径.

同样,如果使用fv2代表两级斜齿轮体积分目标,则有:

式(3)中:da1,da2,da3,da4为齿轮齿顶圆直径;dfr为内齿轮齿根圆直径;L为两级斜齿轮之间的轴跨距.

2.2 设计变量

风力发电机齿轮传动系统包括齿数、模数、齿宽等在内的众多设计参数,而在对其进行动态优化设计时,应当充分考虑系统动态性能受齿轮参数的具体影响、齿轮设计的相关标准要求和优化设计特点等众多因素.在确定设计变量时,要尽量避免选择不会对动态性能造成实质性改变的参数.值得注意的是,如果选择设置过多的设计变量,则会在无形中延长计算时间,增加计算量,因此,最好能够严格控制系统设计变量的实际数目.在风力发电机齿轮传动系统动态优化设计中,选择将齿数、变位系数、修行量等会在很大程度上影响系统动态性能的参数作为设计变量.其中,Zs和Zp为太阳轮和行星轮齿数;m和b为法面模数和齿宽;xs为变位系数;L为跨距;β12和β34为螺旋角;z1,z2,z3,z4为两级斜齿圆柱齿轮的齿数;xn2和xn4为法面变位系数;b12和b34为齿宽;ds1,ds23和ds4为轴径.

2.3 约束条件

在对风力发电机齿轮传动系统进行动态优化设计时,其约束函数按照类型可以被简单分成边界约束、静态性能约束和动态性能约束.其中,边界约束只要包括设计变量的上界取值和下界取值;动态性能约束指的是,从风力发电机齿轮传动系统的各类动态性能指标中选择除去目标函数性能指标之外的其他性能指标,将其作为约束条件;静态性能约束一般指的是包括重合度、齿顶厚度等方面的限制条件.为了保障风力发电机齿轮传动系统在传动过程中齿轮啮合始终正确,系统具有良好的传动性能,每一对啮合齿轮之间的中心距均完全一致,也就是说:

此外,文中也提及风力发电机组通常面临的是高空安装的工作环境,因此,在对其进行动态优化设计时,应当尽可能简化风力发电机组的安装,太阳轮和内齿轮的齿数和最好可以整除行星轮数目.笔者从查阅的相关文献中了解到,目前,在风力发电机齿轮传动系统中,一般会使用3个行星轮,(Zs+Zr)/3=C,其中,C为整数.为了尽可能减少风力发电机组的故障率,延长风力发电机齿轮传动系统的使用寿命,相邻两行星轮之间需要保持一定间距,其间距数至少为0.5倍的模数.同时,为了确保整个风力发电机齿轮传动系统能够长时间的安全、稳定运行,还需要对其重合度进行优化设计,如果用εasp和εarp表示太阳轮与内齿轮同行星轮之间的重合度,则εarp和εasp的取值在1.2~2.2之间.如果斜齿轮的端面重合度用εaj表示,为了保障风力发电机齿轮传动系统能够具有最优的传动性能,其取值也需要控制在1.2~2.2之间.如果用εβj代表斜齿轮纵向重合度,且j分别为12和34.根据风力发电机齿轮传动系统动态优化设计的要求,1-εasp的值应当始终控制在0以下.

3 结束语

本文在简要介绍风力发电机齿轮传动系统及其结构特征的基础上,选择以1.5 MW风力发电机齿轮传动系统作为研究对象,采用数学建模的方式为其动态优化设计建立相应的设计模型,并将包括模数、螺旋夹等在内的各类相关参数囊括其中,对齿轮啮合、动态性能等进行了有效约束.受笔者自身学识和其他客观条件的限制,本文仅从理论上提出了一种风力发电机齿轮传动系统动态优化设计方案,并未实践证明,这也是本文的不足之处,在之后的研究过程中,笔者将会对此进行调整和改善.

[1]苏帅团,熊诗波,熊晓燕,等.风力发电机齿轮传动系统的动态特性分析[J].机械设计与制造,2014,11(08):102-104.

[2]石清珏.2.5 MW风力发电机齿轮传动系统动力学特性分析[D].银川:宁夏大学,2016.

〔编辑:白洁〕

TM315

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.131

2095-6835(2017)22-0131-02