论文部分内容阅读
摘 要：本文主要以大兆瓦风电齿轮箱关键零部件结构轻量化设计为重点进行阐述，从大兆瓦风电齿轮箱关键零部件的结构优化设计、大兆瓦风电齿轮箱关键零部件的尺度优化设计几个方面进行研究分析，其目的在于促使风电齿轮箱能够同发电机进行有效的融合，进一步推动风力发电机更加稳定可靠的运行，降低风力发电机的度电成本，提升风电利用的市场竞争力，为人们提供良好的风能可再生资源，缓解石油资源枯竭等问题，为推动我国社会经济更加稳定持续的进步与发展。
关键词：大兆瓦风电齿轮箱 关键零部件 零部件结构 轻量化设计
引言：当前，不可再生能源的日益枯竭，气候不断变化，环境问题日益突出，一定程度上制约了社会的发展。基于此，风能逐渐引起了人们的重视，由于其具有清洁、可再生等特点的，且蕴藏总量相对较高，进而推动了风力发电机的发展，同时风力发电机装机总量也不断增加。近几年，科学技术以及工业技术水平的提高，为了能够更好的提高风力发电效率，保障发电成本的降低，就需要加强对风力发电机的研究分析，注重对大兆瓦风电机组的优化。客观角度来讲，风电齿轮箱是叶轮同发电机之间的关键连接传动装置，主要就是对转速同传递扭矩进行有效的改善，使得风电齿轮箱能够同发电机进行有效的融合，进而推动风力发电机更加稳定可靠的运行。
一、大兆瓦风电齿轮型关键零部件的结构优化设计
一般而言，行星架以及扭力臂属于大兆瓦风电齿轮箱当中的关键零部件，如果对这二者结构进行科学合理的设计，那么很大程度上就会促进传动系统的刚度特性以及传动平稳性得到有效的提高。第一，根据行星架在第一级行星传动系统当中所具有的承载特点，适当对行星架的拓扑模型进行优化。第二，在扭力臂的实际运行情况基础上，构建多个工况位置的拓扑优化模型。第三，在对拓扑模型优化之后，可以根据其结果提出相应的结构模型设计方案。
现阶段，CAE领域发展的过程中，结构优化在其中占据关键地位，而且优化的方法也具有一定的多样化，如：均匀化方法、变密度法等等，为结构优化设计提供了良好创新条件[1]。在对大兆瓦风电齿轮型关键零部件的结构进行优化设计时，主要就是需要遵循相应的最优化理论，首先，在对既定要求进行合理的优化的过程中，明确最优设计的目标函數。其次，对于优化过程当中，不断发生变化的情况进行充分明确，从而使得设计变量能够得到合理提升。最后，在保障设计变量以及其他优化需求的基础上，制定最优化的约束条件。
第一，采用有限元法构建拓扑物理模型。在构建拓扑物理模型的过程中，采用有限元分析的方法的，清理原始几何模型，同时对其进行离散化处理，从而获得FE模型。在此基础上，明确构建拓扑物理模型的定义约束条件，制定设计变量，最终完成拓扑物理模型的构建。
第二，判断收敛。根据拓扑物理模型的构建结果，对结构进行优化设计，然后验证明确相邻两步迭代的结果是否能够充分满足相应的规定收敛准则，如：软收敛准则以及规则收敛，如果相邻两步迭代结构比设定的目标容差小时，同时充分满足规则收敛准则，则代表约束条件的符合率能够超过99%[2]。如果相邻两次迭代结果变化趋势都相对较小的过程中，那么就需要对最后一步估值的优化环节进行暂停，对这两个结果进行对比，后者比前者少一次迭代过程。基于此，当一种满足相应规定标准时，则可以对优化过程进行停止，如果不停止那么则需要对其进行优化处理。
二、2.大兆瓦风电齿轮箱关键零部件的尺度优化设计
2.1扭力臂壁板以及筋板尺度优化设计
由于风电齿轮箱的壁厚能够对扭力臂的静态特征产生较大的影响，因此，在对壁厚影响因素进行全面考虑分析的基础上，对底部连接环面外径进行综合的考虑分析，筋板厚度以及辐板厚度等结构参数进行系统的研究分析，判断其对刚度特性所产生的影响。然后在通过对灵敏度进行分析的基础上，得出不同结构参数对其所产生影响的程度[3]。在关键结构参数分析的基础上，通过分析响应曲面同静态特征之间的关系，最后得出充分满足既定目标，同时又是最优化的设计变量。
2.2扭力臂尺寸模型优化
在扭力臂静态特征分析结果的基础上，对径向刚度进行综合考虑分析，构建相应的以机体壁厚、筋板厚度进行适当优化设计变量，明确设计优化目标，设计尺寸优化模型。
结论：
在多工况组合的基础上，对风电齿轮箱关键零部件的结构进行适当优化，然后对风电齿轮箱关键零部件结构性能分析之后，提出了拓扑优化性能指标的风电齿轮箱，构建加权应变能力为最小的行星架优化模型，构建以加权应变能最小和固有频率最大的双目标函数，在多位置工况的扭力臂的扭力臂的静动耦合拓扑优化模型。结合拓扑优化传力路径，得出不同结构形式的行星架概念模型，将其同加强筋与周向辐板进行有效的集合，构建行星架扭力臂模型。与此同时，对大兆瓦风电齿轮箱关键零部件的尺度进行优化设计，将位移、第一主应力、刚质比等指标参数作为基础，分析行星架概念模型的性能，明确行星架尺度设计对象，将曲面结构作为尺度优化设计的基础，进一步推动大兆瓦风电齿轮箱关键零部件的优化，推动我国风力发电机的可靠运行，降低风力发电机的度电成本，提升风能应用的市场竞争力。
参考文献：
[1]涂杰，罗强.大型风电齿轮箱行星架-销轴系统有限元分析[J].机床与液压，2018，46（21）：169-172.
[2]徐大鹏.研究风电齿轮箱结构设计及齿轮应力特点[J].建材与装饰，2017（36）：58-59.
[3]董惠敏，韩孟克，邱俊，王德伦，梁世文，贾平.风电齿轮箱结构设计流程自动化系统研发[J].机械传动，2017，41（02）：152-156+164.