風力發電機齒輪傳動系統動態優化設計的研究

趙巍

(卓輪(天津)機械有限公司,天津 300457)

風力發電機齒輪傳動系統動態優化設計的研究

趙巍

(卓輪(天津)機械有限公司,天津 300457)

為了積極響應國家建設生態環境友好型社會的要求,盡可能減少資源和能源的消耗,避免污染或破壞環境,風力發電儼然已經成為了當前電力行業的"新寵兒".隨著風力發電規模的不斷擴大,風力發電機組也越來越大型化,傳統的齒輪傳統系統也面臨著更新換代的問題.在此背景下,著重圍繞風力發電機齒輪傳動系統的動態優化設計進行簡要分析研究,以期為日后相關工作的順利進行提供參考.

風力發電機;齒輪傳動系統;動態優化設計;行星輪

目前,國內外關于齒輪傳動系統動態特性的研究成果眾多,這為風力發電機齒輪傳動系統動態優化設計的研究奠定了良好的理論基礎.但是,在相關研究中,有關動態設計方法和設計齒輪傳動系統內部較為復雜的動態特性的研究數量相對比較少.因此,本文將在簡單介紹風力發電機齒輪傳動系統及其結構的基礎上,嘗試采用多目標設計的方法探究風力發電機齒輪傳動系統動態優化設計.

1 風力發電機齒輪傳動系統及其結構

為了更好地研究風力發電機齒輪傳動系統的動態優化設計,本文以1.5 MW風力發電機齒輪傳動系統作為研究對象.該系統采用的是兩級斜齒輪傳動搭配一級NGW型行星齒輪的傳動結構,其中,兩級斜齒輪副分別為中速級和高速級,而NGW型行星齒輪的傳動則為低速級[1].風力發電系統主要是將機械能轉化為電能,風力機葉片負責完成風能向機械能的轉化,轉化后的機械能將經由主軸傳遞至行星架中,并充當齒輪箱輸入.此后,隨著齒輪箱速度的不斷增加,經由驅動發電機的高速端輸出之后,機械能實現了向風能的轉化.每一個齒輪都會受到阻尼力、慣性力、彈性恢復力等各種力的影響,且每一種力之間相互平衡,因此,根據牛頓力學可以獲得風力發電機齒輪傳動系統的動力學方程.

2 風力發電機齒輪傳動系統的動態優化設計

筆者在查閱大量相關研究文獻的過程中了解到,風力發電機齒輪傳動系統的動態優化設計主要包括動態分析和動態設計兩大部分,也就是說,首先要根據機械動態性能建立起相關的力學微分方程,在此基礎之上才能完成目標函數的確立,并設置與之相對應的約束條件,進而完成之后的機械動態優化設計.而學者蘇帥團、熊詩波(2014)等人在其研究中使用微分方程組描述風力發電機齒輪傳動系統的動態特性,即:

式(1)中:M,K和X為風力發電機齒輪傳動系統的質量、阻尼和剛度矩陣;x(t)、)(tx˙和)(tx˙˙為位移、速度和加速度矢量;F(t)為激振力向量.

2.1 目標函數

根據風力發電機齒輪傳動系統的動態特性,我們可以選擇將行星輪和太陽輪等最大振動加速度作為動態優化目標函數[2].考慮到現實情況,風力發電機通常需要高空作業,因此,出于便于安裝和控制成本等目的,其體積和質量也需要得到有效的控制.在這一設計理念下,本文將使用規格化加權的方法統一各個目標函數.如果使用fv1代表行星級體積分目標,則有:

式(2)中:das,dap,dar為齒輪齒頂圓直徑;dfr為內齒輪齒根圓直徑.

同樣,如果使用fv2代表兩級斜齒輪體積分目標,則有:

式(3)中:da1,da2,da3,da4為齒輪齒頂圓直徑;dfr為內齒輪齒根圓直徑;L為兩級斜齒輪之間的軸跨距.

2.2 設計變量

風力發電機齒輪傳動系統包括齒數、模數、齒寬等在內的眾多設計參數,而在對其進行動態優化設計時,應當充分考慮系統動態性能受齒輪參數的具體影響、齒輪設計的相關標準要求和優化設計特點等眾多因素.在確定設計變量時,要盡量避免選擇不會對動態性能造成實質性改變的參數.值得注意的是,如果選擇設置過多的設計變量,則會在無形中延長計算時間,增加計算量,因此,最好能夠嚴格控制系統設計變量的實際數目.在風力發電機齒輪傳動系統動態優化設計中,選擇將齒數、變位系數、修行量等會在很大程度上影響系統動態性能的參數作為設計變量.其中,Zs和Zp為太陽輪和行星輪齒數;m和b為法面模數和齒寬;xs為變位系數;L為跨距;β12和β34為螺旋角;z1,z2,z3,z4為兩級斜齒圓柱齒輪的齒數;xn2和xn4為法面變位系數;b12和b34為齒寬;ds1,ds23和ds4為軸徑.

2.3 約束條件

在對風力發電機齒輪傳動系統進行動態優化設計時,其約束函數按照類型可以被簡單分成邊界約束、靜態性能約束和動態性能約束.其中,邊界約束只要包括設計變量的上界取值和下界取值;動態性能約束指的是,從風力發電機齒輪傳動系統的各類動態性能指標中選擇除去目標函數性能指標之外的其他性能指標,將其作為約束條件;靜態性能約束一般指的是包括重合度、齒頂厚度等方面的限制條件.為了保障風力發電機齒輪傳動系統在傳動過程中齒輪嚙合始終正確,系統具有良好的傳動性能,每一對嚙合齒輪之間的中心距均完全一致,也就是說:

此外,文中也提及風力發電機組通常面臨的是高空安裝的工作環境,因此,在對其進行動態優化設計時,應當盡可能簡化風力發電機組的安裝,太陽輪和內齒輪的齒數和最好可以整除行星輪數目.筆者從查閱的相關文獻中了解到,目前,在風力發電機齒輪傳動系統中,一般會使用3個行星輪,(Zs+Zr)/3=C,其中,C為整數.為了盡可能減少風力發電機組的故障率,延長風力發電機齒輪傳動系統的使用壽命,相鄰兩行星輪之間需要保持一定間距,其間距數至少為0.5倍的模數.同時,為了確保整個風力發電機齒輪傳動系統能夠長時間的安全、穩定運行,還需要對其重合度進行優化設計,如果用εasp和εarp表示太陽輪與內齒輪同行星輪之間的重合度,則εarp和εasp的取值在1.2~2.2之間.如果斜齒輪的端面重合度用εaj表示,為了保障風力發電機齒輪傳動系統能夠具有最優的傳動性能,其取值也需要控制在1.2~2.2之間.如果用εβj代表斜齒輪縱向重合度,且j分別為12和34.根據風力發電機齒輪傳動系統動態優化設計的要求,1-εasp的值應當始終控制在0以下.

3 結束語

本文在簡要介紹風力發電機齒輪傳動系統及其結構特征的基礎上,選擇以1.5 MW風力發電機齒輪傳動系統作為研究對象,采用數學建模的方式為其動態優化設計建立相應的設計模型,并將包括模數、螺旋夾等在內的各類相關參數囊括其中,對齒輪嚙合、動態性能等進行了有效約束.受筆者自身學識和其他客觀條件的限制,本文僅從理論上提出了一種風力發電機齒輪傳動系統動態優化設計方案,并未實踐證明,這也是本文的不足之處,在之后的研究過程中,筆者將會對此進行調整和改善.

[1]蘇帥團,熊詩波,熊曉燕,等.風力發電機齒輪傳動系統的動態特性分析[J].機械設計與制造,2014,11(08):102-104.

[2]石清玨.2.5 MW風力發電機齒輪傳動系統動力學特性分析[D].銀川:寧夏大學,2016.

〔編輯:白潔〕

TM315

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.131

2095-6835(2017)22-0131-02