风电齿轮箱齿轮传动系统轻量化设计

摘要

风电齿轮箱是风力发电机组的核心部件，随着风电齿轮箱的装机容量增大，质量也随之变大，给风电机组安装、维护带来很大困难。因此，对风电齿轮箱传动系统进行优化设计，实现其轻量化，对降低风电机组的安装和运行成本，具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文以风力发电理论、回归分析理论、遗传算法理论和可靠性理论为理论基础，分析风电齿轮传动系统的结构特点。以宁夏某风电公司1.5MW风电机组为研究对象，建立了其随机输入载荷预测模型，基于遗传算法对风电齿轮传动系统进行优化设计，并对优化后的风电齿轮传动系统进行可靠性评估。主要研究内容如下： （1）风电齿轮箱随机输入载荷预测数学建模。随机输入载荷预测模型是风电齿轮传动系统优化设计及可靠性评估的基础。针对经典理论公式预测风电输入载荷精度低的问题，分析其随机性、非线性等特点，运用非线性回归分析法，建立风电齿轮箱随机输入载荷预测数学建模，通过宁夏某风电公司实测数据进行验证，结果表明该模型预测精度远高于经典理论公式法。 （2）风电齿轮传动系统结构参数优化设计。建立了风电齿轮传动系统多目标优化函数，确定了满足风电齿轮传动系统正常运行的边界条件，为有效地避免普通迭代方法容易陷入局部极小值而出现死循环的现象；运用遗传算法对宁夏某风电公司1.5MW风电齿轮箱传动系统参数进行优化设计，优化结果表明风电齿轮传动系统体积降低了4.59%，质量降低了281千克，实现轻量化。 （3）风电齿轮传动系统优化设计的可靠性评估。分析了风电齿轮箱齿轮传动系统的失效形式，建立了风电齿轮可靠性分析模型，对风电齿轮箱齿轮传动系统的可靠性进行评估。结果显示，优化后的风电齿轮传动系统正常运行15年不发生故障的可靠度为96.21%，高于标准设备要求的95%，满足风电齿轮传动系统的工作要求。 本文对风电齿轮传动系统优化设计的研究，为风电齿轮箱的轻量化提供了有效的方法，研究结论对风电齿轮传动系统参数的设计与优化具有一定的参考价值。

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附表索引

第1章 绪论

1.1课题背景和意义

1.2风力发电发展概况

1.3风力发电齿轮箱国内外研究现状

1.4课题的研究内容

1.5本章小结

第2章 风电齿轮箱输入载荷预测数学建模

2.1风力发电机分析

2.1.1定桨距风力发电机组

2.1.2变桨距风力发电机组

2.2变速风力发电机齿轮箱的实际工况分析

2.2.1变速风力发电机齿轮箱的输入功率

2.2.2变速风力发电机齿轮箱的输入转矩和转速

2.3风电齿轮箱随机输入载荷预测模型

2.3.1回归分析法

2.3.2风电齿轮传动系统输入载荷非线性回归模型

2.4风电齿轮传动系统回归预测模型验证

2.5本章小结

第3章 风电齿轮传动系统轻量化设计

3.1遗传算法

3.1.1遗传算法概述

3.1.2遗传算法基本流程

3.2风电齿轮传动系统分析

3.3风电齿轮传动系统参数分析

3.4风电齿轮传动系统轻量化设计数学建模

3.4.1设计变量

3.4.2设计约束

3.4.3目标函数

3.4.4数学模型

3.5风电齿轮传动系统数学建模

3.5.1设计变量的选取

3.5.2目标函数的建立

3.5.3约束条件的确立

3.6实例计算与轻量化分析

3.6.1实例计算

3.6.2轻量化结果及分析

3.6.3功率密度分析

3.6.4传动系统效率计算分析

3.7本章小结

第4章 风电齿轮传动系统轻量化设计的可靠性验证

4.1风电齿轮传动的失效形式

4.2风电齿轮可靠性分析模型

4.2.1齿轮接触疲劳强度可靠性分析模型

4.2.2齿轮弯曲疲劳强度可靠性分析模型

4.3风电齿轮可靠性分析

4.3.1啮合齿轮副间的圆周力

4.3.2各齿轮中变异系数和计算系数

4.3.3风电齿轮传动系统中各齿轮的可靠度

4.4风电齿轮传动系统的可靠性分析

4.5本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录B 攻读学位期间所获得的荣誉