一种基于多体多力学的风力发电机齿轮箱优化设计方法

摘要

本发明公开了一种基于多体多力学的风力发电机齿轮箱优化设计方法，包括以下步骤：S01、建立风力发电机传动链动力学模型，其中齿轮箱内各部件采用柔性体建模；S02、对建立的风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，对风力发电机齿轮箱内各部件的共振频率进行筛选和排查，如存在共振频率，则进入下一步；S03、对与共振频率对应的齿轮箱部件进行优化设计：通过修改对应齿轮箱部件的尺寸或结构来调整其低阶模态频率；S04、循环执行步骤S01至S03，直至消除传动链的共振频率。本发明的基于多体多力学的风力发电机齿轮箱优化设计方法具有原理简单、操作简便、可避免共振等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及风力发电技术领域，特指一种基于多体多力学的风力发电机齿轮箱优化设计方法。

背景技术

齿轮箱作为双馈式风力发电机组中的一个重要的机械部件，其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。目前，齿轮箱设计一般是由齿轮箱厂家在根据主机厂提出的技术要求和接口参数的基础上完成。在设计生产过程中，一般都会重点关注齿轮箱各零部件的强度、疲劳以及其他各项性能是否达到要求，而往往忽视了齿轮箱内部各旋转部件的动力学性能，或者即使进行了相关的计算也是基于单个齿轮箱或简单的传动链模型的基础之上，而没有将齿轮箱置于较完整的传动链模型中进行考虑。这样设计生产出来的齿轮箱虽然满足强度、疲劳等要求，但其各部件的动力学性能未必是理想状态，可能会出现局部共振的风险，这无疑会对齿轮箱的长期运行埋下一定的隐患。另外，主机厂开发新的机型时一般也会对新的机型进行传动链动力学计算，以验证其在工作转速范围内是否存在共振的风险，如果计算结果显示某一部件在某一转速下存在共振风险，一般是给出避开这一转速的建议，很少会从设计上去进行优化改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、可提高齿轮箱工作性能、避免运行时共振的基于多体多力学的风力发电机齿轮箱优化设计方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于多体多力学的风力发电机齿轮箱优化设计方法，包括以下步骤：

S01、建立风力发电机传动链动力学模型，其中齿轮箱内各部件采用柔性体建模；

S02、对建立的风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，对风力发电机齿轮箱内各部件的共振频率进行筛选和排查，如存在共振频率，则进入下一步；

S03、对与共振频率对应的齿轮箱部件进行优化设计：通过修改对应齿轮箱部件的尺寸或结构来调整其低阶模态频率；

S04、循环执行步骤S01至S03，直至消除传动链的共振频率。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤S02中，利用多体动力学软件对建立的传动链力学模型进行频域分析，得出模态计算结果，即传动链的各级固有频率和模态能量分布，并使用坎贝尔图甄选各阶频率，找出与激励频率相同的传动链固有频率，作为潜在共振频率；再将潜在共振频率在传动链力学模型的时域分析下进行排查，根据其转动加速度的跳变范围判断是否共振，最终辨别此潜在共振频率是否为共振频率。

在进行动力学分析时，将共振频率在各速度级转频和齿轮啮合频率的三倍范围内进行筛选和排查。

在步骤S03中，当所述齿轮箱部件为轴类结构时，增大直径最小段的直径以改变其低阶扭转模态频率。

在执行步骤S04后，对优化后的齿轮箱进行强度和疲劳分析。

在步骤S01中，柔性体建模是通过有限元软件进行子结构分析，将原模型的质量和刚度矩阵进行压缩而形成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的基于多体多力学的风力发电机齿轮箱优化设计方法，在齿轮箱设计时对共振频率进行筛选和排查，并对存在共振频率的部件进行优化，直到最后完成消除共振频率，从而保证齿轮箱内各旋转部件的动力学性能，避免运行时出现共振。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明的传动链动力学模型拓扑图。

图3为本发明的齿轮箱动力学模型拓扑图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图3所示，本实施例的基于多体多力学的风力发电机齿轮箱优化设计方法，包括以下步骤：

S01、建立风力发电机传动链动力学模型，其中齿轮箱内各部件采用柔性体建模；

S02、对建立的风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，对风力发电机齿轮箱内各部件的共振频率进行筛选和排查，如存在共振频率，则进入下一步；

S03、对与共振频率对应的齿轮箱部件进行优化设计：通过修改对应齿轮箱部件的尺寸或结构来调整其低阶模态频率；

S04、循环执行步骤S01至S03，直至消除传动链的共振频率。

本发明的基于多体多力学的风力发电机齿轮箱优化设计方法，在齿轮箱设计时对共振频率进行筛选和排查，并对存在共振频率的部件进行优化，直到最后完成消除共振频率，从而保证齿轮箱内各旋转部件的动力学性能，避免运行时出现共振。

本实施例中，在步骤S02中，利用多体动力学软件对建立的传动链模型进行频域分析，得出模态计算结果，即传动链的各级固有频率和模态能量分布，并使用坎贝尔图甄选各阶频率，找出与激励频率相同的传动链固有频率，作为潜在共振频率。将潜在共振频率在传动链模型的时域分析下进行排查，根据其转动加速度的跳变范围判断是否共振，最终辨别此潜在共振频率是否为真实的共振频率。

本实施例中，在步骤S03中，当齿轮箱部件为轴类结构时，增大直径最小段的直径以改变其低阶扭转模态频率。

下面结合实例对本发明的方法步骤做详细的描述如下：

第一步：建立风力发电机传动链动力学模型。利用多体动力学软件（如simpack）按照GL等相关标准或规范建立风机传动链动力学模型，其中齿轮箱内部的轴、行星架、大的齿轮等主要部件采用柔性体建模。柔性体建模主要是通过有限元软件进行子结构分析，将原模型的质量和刚度矩阵进行压缩而形成。形成后的柔性体主要通过若干主节点的自由度来替代原模型的动力学特性。因此，主节点的位置和数量将是影响柔性体建模准确性的关键，主节点位置和数量的选择除了考虑与整个系统模型的接口外，还应最大限度地保证重要模态频率与原模型的一致性。对于一般的旋转类结构，如轴、齿轮等，主节点位置和数量的选择应保重柔性体的第一阶扭转、弯曲模态频率与原模型的误差控制在5%以内。这是齿轮箱内部柔性体建模的一个原则，也是保证本发明的优化方法准确性的一个基础。当然，柔性体建模也应尽量减小其他低阶模态频率（如拉伸等）的误差。

常见双馈机组传动链力学拓扑图如图2所示，传动链系统由叶片、轮毂、主轴、齿轮箱、发电机、主机架6个主部件组成，参考联轴器的动力学特性，可将联轴器分为4个部分，由于发电机的电气功率特性，将转子和定子分开建模。最后根据传动链各部件之间力和力矩的传递关系，用相应的力元连接并装配。

常见的齿轮箱动力学拓扑图如图3所示，由齿轮箱箱体、行星架、内齿圈、各级齿轮轴以及齿轮组成，其中齿轮轴使用有限元方法建立柔性体模型。根据各级传动之间以及齿轮啮合中力和力矩的传递关系，用相应的力元将各个零件连接并装配。

其中：FE5：平行方向刚度-阻尼力元；FE13：转动方向刚度-阻尼力元；FE41-刚度-阻尼矩阵力元；FE43：轴套力元；FE50：函数关系式力矩力元；FE225：齿轮啮合力元；FE242：花键力元。

第二步：对建立的风力发电机传动链模型进行动力学计算分析。利用多体动力学软件对建立的传动链模型进行模态和时域分析，利用坎贝尔（Campbell)图、模态能量分布、激励频率范围和时域分析结果等对共振频率进行筛选和排查，而齿轮箱内部结构是重点关注的对象，在分析时应将频率范围考虑到各速度级转频和齿轮啮合频率的三倍。对传动链模型进行动力学计算分析后检查是否有共振频率，如果没有，则进入第五步；如果有，则进入第三步。

第三步：对共振频率对应的齿轮箱部件（如轴、齿轮、行星架等）进行优化设计。具体方法：通过修改零部件的尺寸或结构形式来调整部件的低阶模态频率，消除传动链的共振频率。一般来说，传动链动力学计算主要关心旋转方向上的模态，因此，对部件进行优化设计时也主要是调整其低阶扭转模态频率。如果关心其他方向上的模态，在应用本方法时也做相应的调整。对于一般的轴类结构，修改其最细段的直径（这段刚度是影响第一阶扭转模态频率的主要因素）即可改变扭转模态频率（一般选择加大直径以保证强度），对于行星架等复杂结构可能需要借助一些优化软件或方法完成。扭转模态频率调整幅度一般应控制在原模型相应模态频率的20%以上。

第四步：将优化后的部件参照第一步重新进行柔性体建模，并输入传动链模型，参照第二步进行动力学分析计算。分析结果如果仍出现共振频率，则重复第三步对共振部件进行优化设计以调整扭转模态频率；分析结果如果没有出现共振频率，则进入第五步。

第五步：将优化后的齿轮箱模型进行强度和疲劳分析，如果满足强度和疲劳条件，则优化结束，如果不满足，则进入第三步对共振部件重新进行优化设计。如此循环，直到整个优化流程结束。优化后的齿轮箱既满足强度、疲劳等要求，同时也具有良好的动力学性能。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。