趙巍

(卓輪(天津)機(jī)械有限公司,天津 300457)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

趙巍

(卓輪(天津)機(jī)械有限公司,天津 300457)

為了積極響應(yīng)國(guó)家建設(shè)生態(tài)環(huán)境友好型社會(huì)的要求,盡可能減少資源和能源的消耗,避免污染或破壞環(huán)境,風(fēng)力發(fā)電儼然已經(jīng)成為了當(dāng)前電力行業(yè)的"新寵兒".隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也越來越大型化,傳統(tǒng)的齒輪傳統(tǒng)系統(tǒng)也面臨著更新?lián)Q代的問題.在此背景下,著重圍繞風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析研究,以期為日后相關(guān)工作的順利進(jìn)行提供參考.

風(fēng)力發(fā)電機(jī);齒輪傳動(dòng)系統(tǒng);動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì);行星輪

目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究成果眾多,這為風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究奠定了良好的理論基礎(chǔ).但是,在相關(guān)研究中,有關(guān)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部較為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性的研究數(shù)量相對(duì)比較少.因此,本文將在簡(jiǎn)單介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,嘗試采用多目標(biāo)設(shè)計(jì)的方法探究風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)

為了更好地研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì),本文以1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象.該系統(tǒng)采用的是兩級(jí)斜齒輪傳動(dòng)搭配一級(jí)NGW型行星齒輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu),其中,兩級(jí)斜齒輪副分別為中速級(jí)和高速級(jí),而NGW型行星齒輪的傳動(dòng)則為低速級(jí)[1].風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,風(fēng)力機(jī)葉片負(fù)責(zé)完成風(fēng)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化后的機(jī)械能將經(jīng)由主軸傳遞至行星架中,并充當(dāng)齒輪箱輸入.此后,隨著齒輪箱速度的不斷增加,經(jīng)由驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的高速端輸出之后,機(jī)械能實(shí)現(xiàn)了向風(fēng)能的轉(zhuǎn)化.每一個(gè)齒輪都會(huì)受到阻尼力、慣性力、彈性恢復(fù)力等各種力的影響,且每一種力之間相互平衡,因此,根據(jù)牛頓力學(xué)可以獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程.

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

筆者在查閱大量相關(guān)研究文獻(xiàn)的過程中了解到,風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括動(dòng)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)兩大部分,也就是說,首先要根據(jù)機(jī)械動(dòng)態(tài)性能建立起相關(guān)的力學(xué)微分方程,在此基礎(chǔ)之上才能完成目標(biāo)函數(shù)的確立,并設(shè)置與之相對(duì)應(yīng)的約束條件,進(jìn)而完成之后的機(jī)械動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì).而學(xué)者蘇帥團(tuán)、熊詩波(2014)等人在其研究中使用微分方程組描述風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,即:

式(1)中:M,K和X為風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)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(biāo)函數(shù)

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,我們可以選擇將行星輪和太陽輪等最大振動(dòng)加速度作為動(dòng)態(tài)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[2].考慮到現(xiàn)實(shí)情況,風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常需要高空作業(yè),因此,出于便于安裝和控制成本等目的,其體積和質(zhì)量也需要得到有效的控制.在這一設(shè)計(jì)理念下,本文將使用規(guī)格化加權(quán)的方法統(tǒng)一各個(gè)目標(biāo)函數(shù).如果使用fv1代表行星級(jí)體積分目標(biāo),則有:

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

同樣,如果使用fv2代表兩級(jí)斜齒輪體積分目標(biāo),則有:

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

2.2 設(shè)計(jì)變量

風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)包括齒數(shù)、模數(shù)、齒寬等在內(nèi)的眾多設(shè)計(jì)參數(shù),而在對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)充分考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能受齒輪參數(shù)的具體影響、齒輪設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和優(yōu)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)等眾多因素.在確定設(shè)計(jì)變量時(shí),要盡量避免選擇不會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)性能造成實(shí)質(zhì)性改變的參數(shù).值得注意的是,如果選擇設(shè)置過多的設(shè)計(jì)變量,則會(huì)在無形中延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間,增加計(jì)算量,因此,最好能夠嚴(yán)格控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量的實(shí)際數(shù)目.在風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,選擇將齒數(shù)、變位系數(shù)、修行量等會(huì)在很大程度上影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量.其中,Zs和Zp為太陽輪和行星輪齒數(shù);m和b為法面模數(shù)和齒寬;xs為變位系數(shù);L為跨距;β12和β34為螺旋角;z1,z2,z3,z4為兩級(jí)斜齒圓柱齒輪的齒數(shù);xn2和xn4為法面變位系數(shù);b12和b34為齒寬;ds1,ds23和ds4為軸徑.

2.3 約束條件

在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),其約束函數(shù)按照類型可以被簡(jiǎn)單分成邊界約束、靜態(tài)性能約束和動(dòng)態(tài)性能約束.其中,邊界約束只要包括設(shè)計(jì)變量的上界取值和下界取值;動(dòng)態(tài)性能約束指的是,從風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各類動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)中選擇除去目標(biāo)函數(shù)性能指標(biāo)之外的其他性能指標(biāo),將其作為約束條件;靜態(tài)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(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在傳動(dòng)過程中齒輪嚙合始終正確,系統(tǒng)具有良好的傳動(dòng)性能,每一對(duì)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常面臨的是高空安裝的工作環(huán)境,因此,在對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)盡可能簡(jiǎn)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝,太陽輪和內(nèi)齒輪的齒數(shù)和最好可以整除行星輪數(shù)目.筆者從查閱的相關(guān)文獻(xiàn)中了解到,目前,在風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中,一般會(huì)使用3個(gè)行星輪,(Zs+Zr)/3=C,其中,C為整數(shù).為了盡可能減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障率,延長(zhǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)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(shù)至少為0.5倍的模數(shù).同時(shí),為了確保整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間的安全、穩(wěn)定運(yùn)行,還需要對(duì)其重合度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如果用εasp和εarp表示太陽輪與內(nèi)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(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)能夠具有最優(yōu)的傳動(dòng)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(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求,1-εasp的值應(yīng)當(dāng)始終控制在0以下.

3 結(jié)束語

本文在簡(jiǎn)要介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上,選擇以1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象,采用數(shù)學(xué)建模的方式為其動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)模型,并將包括模數(shù)、螺旋夾等在內(nèi)的各類相關(guān)參數(shù)囊括其中,對(duì)齒輪嚙合、動(dòng)態(tài)性能等進(jìn)行了有效約束.受筆者自身學(xué)識(shí)和其他客觀條件的限制,本文僅從理論上提出了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,并未實(shí)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(huì)對(duì)此進(jìn)行調(diào)整和改善.

[1]蘇帥團(tuán),熊詩波,熊曉燕,等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014,11(08):102-104.

[2]石清玨.2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析[D].銀川:寧夏大學(xué),2016.

〔編輯:白潔〕

TM315

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.131

2095-6835(2017)22-0131-02