风力发电机变桨驱动器优化设计研究

论文摘要

随着风力发电机向大功率发展,体积和重量问题日益凸显,减重已经成为降低风力发电机成本的有效手段。如何在保证变桨驱动器各种性能指标要求的前提下,尽量减轻其重量已经成为风力发电机设计研究的热点问题之一。本文结合大连重工·起重集团兆瓦级风力发电机变桨驱动器优化设计项目,对变桨驱动器行星齿轮传动的关键参数进行了优化设计。变桨驱动器的核心部件是行星齿轮减速器。建立行星齿轮减速器优化设计的数学模型,以各级内齿轮分度圆所围体积最小为优化设计目标函数,确定各级传动比、太阳轮齿数和模数作为优化设计变量,分析讨论优化设计的约束函数,构建了行星齿轮减速器优化设计的约束非线性优化数学模型。依据该模型,采用序列二次规划法求解约束非线性优化问题,并基于MATLAB编程平台,设计优化求解程序,调用优化工具箱中的优化函数对变桨驱动器行星齿轮减速器进行优化求解,对优化结果进行验证。验证结果表明优化设计效果明显,行星齿轮减速器结构更加紧凑。采用有限元方法对变桨驱动器的箱体进行结构静力分析和模态分析。通过对箱体的静力分析可以得到其最大应力和位移,模态分析可以得到其固有频率和模态阵型,为箱体的结构方案设计提供参考。优化设计结果表明行星齿轮减速器的性能指标满足设计要求,整机结构紧凑。本设计方法对开发大功率的风力发电机变桨驱动器具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 变桨驱动器系统分析
• 1.3 行星齿轮减速器优化设计研究现状
• 1.4 课题的主要研究内容及方法
• 2 变桨驱动器行星齿轮减速器优化数学模型
• 2.1 行星齿轮减速器的优化设计目标函数
• 2.2 行星齿轮减速器的优化设计变量
• 2.3 行星齿轮减速器优化设计的约束条件
• 2.3.1 配齿约束条件
• 2.3.2 强度约束条件
• 2.3.3 运动性能约束条件
• 2.3.4 结构约束条件
• 2.3.5 其他约束条件
• 2.4 本章小结
• 3 优化设计方法及算例分析
• 3.1 非线性约束优化方法
• 3.2 参数的初始化和处理
• 3.2.1 与设计变量不相关参数的处理
• 3.2.2 与设计变量相关参数的处理
• 3.3 行星齿轮减速器的优化程序设计
• 3.4 优化结果分析与验证
• 3.5 本章小结
• 4 变桨驱动器箱体静力分析和模态分析
• 4.1 变桨驱动器箱体的载荷分析
• 4.2 变桨驱动器箱体的静力分析
• 4.2.1 有限元模型的建立
• 4.2.2 定义材料属性
• 4.2.3 单元型号的选择及网格划分
• 4.2.4 边界条件的确定
• 4.2.5 箱体静力分析的结果
• 4.3 变桨驱动器箱体的模态分析
• 4.3.1 模态分析基本理论
• 4.3.2 机体3模态分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢