大型风电机组增速齿轮箱箱体结构优化设计研究.pdf

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1、第８期总第２６６期农业科技与装备Ｎo.８ＴotａlＮo.２６６２０１６年８月ＡｇｒｉｃｕltｕｒａlＳｃｉｅnｃｅ＆ＴｅｃhnoloｇyａnｄＥｑｕｉｐｍｅntＡｕｇ.２０１６大型风电机组增速齿轮箱箱体结构优化设计研究李静松，李文军（临汾职业技术学院机电系，山西临汾０４１０００）摘要：建立一种以拓扑优化为基础的概念结构设计和以响应面法为基础的尺寸优化设计方法相结合齿轮箱箱体结构优化设计方法。针对某大型分流风电齿轮箱箱体结构进行优化设计，对比初始结合模型与轻量化几何模型，优化后质量降低０．８t，证明该齿轮箱箱体轻量化方法可有效降低齿轮箱的质量。关键词：大型风电机组；增速齿

2、轮箱；箱体结构；优化设计中图分类号：TM３１５文献标识码：A文章编号：１６７４－１１６１（２０１６）０８－００１６－０５风能作为一种清洁、廉价的可再生资源，是现代支持向量机的方法对风电齿轮箱箱体进行尺寸优化，能源发展的主要方向，其全世界蕴藏总量达到目前全结果表明支持向量机方法具有较高可信度，质量减轻球能源消耗总量的４０倍，这在一定程度上推动了风５５０kg。电装备的发展。为了提高风力发电效率、降低发电成本课题提供的结构优化方法引入拓扑优化理论，本，风电机组正面向增加单机功率、减轻整机质量和模型化设计不再使用类比设计，拓扑优化设计能够在提高机组可靠性的方向发展。风电齿轮箱是

3、连接叶轮给定的设计域中得到满足边界条件的轻量化结构。结与发电机之间的重要传动装置，是风电机组的核心部合优化结果和概念设计原则，得到规整的概念结构模件，其功能是改变转速和传递扭矩。现有风电机组增型。结构详细设计对概念结构模型的关键尺寸实施基速齿轮箱主要采用NGＷ行星轮系与平行轴轮系相于响应面法的尺寸优化设计，并进一步完成结构的工结合的结构布局，由于其自身体积和齿轮强度的限艺特征以便于加工制造，从而得到结构的详细模型。［１］制，难以满足大兆瓦机组的设计要求。目前，行星传１增速齿轮箱传动方案介绍动结构设计方法对齿轮箱零件结构与形状等的设计大型风电齿轮箱主要传动方案分为两大类：

4、仍停留在粗放式设计阶段，使得齿轮箱的结构粗糙、NGＷ串联传动方案与封闭式功率分流传动方案。体积大、质量大，造成齿轮箱性能不佳和成本高。特别NGＷ串联传动方案的主要优点为传动比大、结构简是在大功率齿轮箱的结构设计中，这种保守而又粗放单，但存在功率串行、各级承担功率相同的缺点，这就式的设计方法难以满足大兆瓦风电齿轮箱的高功率要求随着风电机组功率的增大，齿轮箱体积必须随之密度、高可靠性和低成本的要求。如何设计合理的齿增大，导致齿轮制造成本与吊装成本增加。封闭式功轮箱结构及参数，使每个零件的性能都得到充分发率分流传动方案弥补了NGＷ串联传动方案的缺点，［２］挥，成为各大企业的研

5、究重点。其各级承担功率为总功率的一部分，大大降低了各级目前风电齿轮箱箱体的结构优化的相关文献较齿轮所承担的载荷，可以显著地降低齿轮箱的质量。［３－７］少，其他箱体的研究较多。SｈouwenＹａo对汽车的封闭式功率分流齿轮箱采用两级行星传动、一级平行变速箱进行了以动态响应为目标的拓扑优化设计，根轴的三级传动结构（如图１所示）。第一级为行星架固据优化结果重新建立CAD模型，校核分析表明变速定的NGＷ构型，由内齿圈输入，太阳轮输出；第二级箱的动态性能有所提高。ＷeiCｈａo在考虑制造约束为差动轮系，由行星架和内齿圈共同输入，太阳轮输的条件下，基于SIMP优化理论对大型船用齿轮

6、箱进出；第三级为一定轴轮系，由大齿轮输入，小齿轮输行拓扑优化设计，通过比较，新方案减重７．８％，达到出。了轻量化目的。郭晓伟分别使用Ｗorkbencｈ平台和２增速齿轮箱箱体概念结构优化设计概念结构设计是基于变密度法对模型化设计产收稿日期：２０１６－０７－２２生的初始几何模型进行拓扑优化计算，获得在极限工作者简介：李静松（１９８５—），女，助教，从事机械设计自动化方况下风电齿轮箱零件的最优材料分布规律，根据优化面的研究工作。结果进行概念结构设计。２０１６年第８期李静松等：大型风电机组增速齿轮箱箱体结构优化设计研究１７式中：Ｔ为扭矩；ｎ１，ｎ２分别为两级行星轮的个数。２.２

7、箱体几何模型和网格划分根据增速齿轮箱传动构型，确定齿轮箱初始几何模型。以其中中间传递扭矩的构件７（内齿圈）为例说明结构设计过程。齿轮箱内齿圈由齿轮箱内轴承支撑整体回转运动，其初始几何模型如图３所示。图１功率分流传动构型Ｆiｇｕre1Ｐoｗerdiｖidinｇｔranｓｍiｓｓionｃonｆiｇｕraｔion２.１齿轮箱整体力学模型图３增速齿轮箱内齿圈初始几何模型建立增速齿轮箱箱体结构优化模型，首先需要确Ｆiｇｕre３Gearrinｇiniｔialｇeoｍeｔriｃｍodelinｓｔep－ｕpｇear定齿轮箱箱体结构的约束与载荷条件，因此根