NW型風(fēng)電增速器的非線性動(dòng)力學(xué)建模與綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì).doc

1、NW型風(fēng)電增速器的非線性動(dòng)力學(xué)建模與綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)隨著風(fēng)電裝備行業(yè)的快速發(fā)展, 人們對(duì)風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能提出了更高的要求 , 這使得風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)方面研究面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。風(fēng)電增速器作為風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)的關(guān)鍵部件, 它的性能優(yōu)劣直接影響著整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的工況與壽命。而對(duì)風(fēng)電增速器性能的評(píng)價(jià)主要體現(xiàn)在兩方面, 一是其工作運(yùn)行的平穩(wěn)性,如齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲, 主要通過(guò)動(dòng)力學(xué)特性來(lái)體現(xiàn); 二是其使用壽命 , 主要通過(guò)可靠性評(píng)估來(lái)體現(xiàn)。因此 , 如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)及改善風(fēng)電增速器的動(dòng)力學(xué)性能與可靠性是發(fā)展高質(zhì)量風(fēng)電傳動(dòng)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(wèn)題。如在

2、隨機(jī)風(fēng)況下受載形式復(fù)雜以及大型化帶來(lái)的結(jié)構(gòu)柔性加大等特點(diǎn),使得它的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)面臨獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題, 從而對(duì)風(fēng)電齒輪箱的動(dòng)力學(xué)性能帶來(lái)影響 , 是導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)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(fèi)用高昂 , 因此對(duì)其可靠性有非常嚴(yán)格的要求 , 但不同風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速分布的不確定性導(dǎo)致了它在復(fù)雜隨機(jī)載荷歷程中的可靠性分析和計(jì)算有了與以往不同的特點(diǎn)。這些都是發(fā)展高性能風(fēng)電增速器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)中亟待解決的問(wèn)題。 本文以大功率 NW型( 即無(wú)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(duì)象 , 針對(duì)前文提出的問(wèn)題 , 對(duì)風(fēng)電增速器的動(dòng)態(tài)性能、可靠性等性能指標(biāo)進(jìn)行

3、了理論研究, 內(nèi)容包括動(dòng)力學(xué)建模、動(dòng)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(jì)的一整套以非線性動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的 NW型風(fēng)電增速器關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)理論體系。主要研究工作如下 :(1) 非線性動(dòng)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(dòng)摩擦、齒側(cè)間隙、時(shí)變嚙合剛度等多種非線性因素耦合的多自由度齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,其中外部激勵(lì)考慮了脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程的作用, 并利用 AR模型進(jìn)行模擬。在模型的求解上 , 采用 Lagrange 三次插值的精細(xì)積分法 , 不僅能夠解決方程中含有簡(jiǎn)諧非線性項(xiàng)以及時(shí)變參數(shù)的問(wèn)題, 而且在保證精度的前提下,

4、 求解過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)。(2) 動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的研究。 通過(guò)對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)值求解 , 研究了動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及行星輪系的均載特性等動(dòng)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(duì)性能指標(biāo)的靈敏度算法 , 以靈敏度分析為手段 , 定量評(píng)估了各項(xiàng)齒輪參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的影響程度 , 為風(fēng)電增速器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化以及動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)受變幅隨機(jī)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(dòng)系統(tǒng)的時(shí)變可靠度模型 , 并以隨機(jī)攝動(dòng)理論和 Edgeworth 級(jí)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(dòng)系統(tǒng)的時(shí)

5、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(jì)算式 , 并給出了其變化規(guī)律 , 定量評(píng)估了各項(xiàng)齒輪參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠度的影響程度 , 這些結(jié)論都將為進(jìn)一步的風(fēng)電增速器綜合性能優(yōu)化中設(shè)計(jì)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(jì)方法。 針對(duì) 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(jì)變量以及優(yōu)化目標(biāo)無(wú)法用函數(shù)表達(dá)的優(yōu)化問(wèn)題。首先利用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合了齒輪設(shè)計(jì)變量與動(dòng)態(tài)性能之間的非線性映射關(guān)系 , 避免了優(yōu)化過(guò)程中計(jì)算機(jī)重復(fù)進(jìn)行大規(guī)模微分方程組求解的繁瑣 , 從而縮短了優(yōu)化時(shí)間 ; 然后利用改進(jìn)后的進(jìn)化算法 (GA法與思維進(jìn)化并行搜索 ) 結(jié)合直接搜索的混合優(yōu)化算法對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)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(duì)風(fēng)電增速器動(dòng)態(tài)性能目標(biāo)的優(yōu)化更有效。(5) 工程實(shí)例及應(yīng)用。依據(jù)各項(xiàng)性能指標(biāo)的分析結(jié)果來(lái)確定設(shè)計(jì)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(duì)研究對(duì)象 NW型風(fēng)電增速器進(jìn)行了以體積、 振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移、均載性能和系統(tǒng)可靠