(东方电气风电有限公司 四川省德阳市 618000)
摘要:在飞速发展的时代背景之下，响应国家政策要求，新型能源的开发和研究逐步走上了历史的舞台，扮演着举足轻重的角色，其中风电产业的开发，使得风电产业设备的研究愈发重要，鉴于我国风电产业设备起步相对较晚，尤其是国内的前期风力发电齿轮设备研究技术相对落后，存在一定的技术缺点，那么为推动风力发电行业繁荣进步，深入进行齿轮传动系统以及动力可靠性概率优化设计研究，显得尤为重要。本文通过对风力发电机的结构、原理的深入了解及齿轮传动系统的运作原理，以及对传动影响因素讨论，并结合动力可靠性概率分析，探讨优化设计的方案，从而提升传动系统在风力发电机工作进程的传动效率。
关键词:风力发电机；齿轮传动系统；动力可靠性；概率优化设计；
一、风力发电机齿轮传动系统研究
（一）风力发电机
1.风力发电机系统结构及工作原理
风力发电机作为风力发电的核心工作部位，主要构成结构为齿轮增速箱、电机、桨叶板、操作设施、连接电线、支架设施及其他连接子部件构成，其中提供动力的核心位置为齿轮传动系统。
风力发电机工作原理：发电机主要功能为将大自然中的风能转换为机械能，然后机械能通过风力电机的传动系统转换机械能为电能，具体体现为桨叶将风能转换为机械能，桨叶转动经由传动系统加速转动传导动能至电机，从而发电。整个过程运作中，因为自然风向无法控制，就需要发点系统结构中的偏航设备，时刻监测风向情况，根据控制设备把握风向使得齿轮转动至迎风状态下，从而收获风能进行机械能及电能间的转化。
2.风力发电机的研究背景和意义
从中国地貌分布及环境气候角度分析，风能资源丰富，可利用空间较大随着国家环境保护、资源节约的相关政策出台以来，作为新能源的风能，具备了可持续性开发的特性，随着科技得研究发展，风能转换电能的行业领域也越来越完善，那么伴随着进一步的研究发现，风力发电设备系统如何更加高效、稳定、优化则成为了该行业领域专家们研究的重点方向。 结合我国风力发电行业的现状，技术研发水平有待提升，设备制造对国外技术的依赖性、知识产权、技术标准无优势，那么，深入提升我国风力发电产业的建设就是当前我国风电发展的主要任务。
（二）风力发电机齿轮传动系统
1. 风力发电机齿轮传动系统结构及工作原理
传动系统主要构成结构为发电机、联轴器、增速机、主轴部件组成。次结构组成为普遍应用类型。主轴部件分位主轴、主轴支撑座、轴承密封、风轮锁紧机构等。增速机一般为一、二、三级传动，其中三级减速比最大，一级二级的风机又称半直驱风机。增速机一般与主轴连接方法为“涨紧套法”。联轴器一般分为膜片式联轴器（弹性元件膜片的弹性达到角度目的）及连杆式联轴器（连杆轴承的相互活动达到调整角度目的）两种。发动机分为异步型和同步型两种。
风力发电机齿轮传动系统运作原理为：通过风轮传导过来的机械能加速处理后输送至电机，转换为电能，并通过风轮传递的负荷传导至底架的过程。
2.风力发电机齿轮传动系统研究意义
风力发电机齿轮传动系统是风力发电系统的核心运作系统，目前，我国风电产业园发展制造的已具备了风电整机制造技术，水平及规模也达到了国内市场要求，但在齿轮传动系统内部件、电控、偏航轴承及变桨电机等子部件方面还未能达到国内需求水平，主要技术为国外掌握，无法满足我国制造发展所用，基于这种问题，考虑到风电产业的长期进步发展的推动，风力发电齿轮传动系统研究显得尤为重要。
二、风电齿轮传动系统及动力可靠性概率优化设计研究
（一）动力可靠性概率优化设计研究
1. 可靠性概念
科技时代飞速发展，当前社会对于机械类用具需求逐步提升，内部构造及功能也随着科技的发展越来越完善、强大，那么针对这种情况就需要产品的可靠性能紧步跟上，而可靠性概率直接决定了机械产品的合格标准是否符合要求。
可靠性指的是机械产品处于固定条件或环境中，于规定时间内产生要求功效的产能。而可靠性概率则是指相对条件下，产品的产能持续期间，那么位于此状态下的机械产品于规定期间内发生问题或“故障”的数额及持续期间总额的比称为“故障率”，并以此为可靠性概率的基本参数。
2. 动力可靠性优化设计的基本原则
作为机械产品的设计方式的优化设计，是通过转化机械产品设计问题至最优化问题，选其中适合的最优化方案，采用互联网信息科技，利用数据模型分析，挑选出最好的设计方法，已达到优化设计的目的，进而应用实际机械产品内。这个过程中，设置多种设计方案，通过固定某一个变将其设计为最优条件，即达到最优设计方案（如：使用寿命最佳、体重最小、性价比最高等），找出影响结果的因素，标注为选择变量，利用杨队的函数关系及模型，模拟变量对结果的影响，确定最高或最低参数值，确定优化变量和结果间关系，达到优化条件的确定。
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（二）风电齿轮传动系统的可靠性优化设计
1.优化设计模型建立
此次建立模型过程中，我们以随机的1.5MW风力发电机的传动系统为研究模型参考设备。
（1）设计影响变量的选择
齿轮作为风电传动系统的核心部件位置，较大程度上影响这动态性能，那么本次研究我们以齿轮个数、宽度及分度圆半径为设计变量，加以研究，其中个数表示为z，行星级齿轮模数m，啮合角为α。
（2）确定目标函数
因为风里发电机齿轮传动系统自身收高度较高及设备修整难度大的因素，在本次研究过程中充分考虑这些因素，故选择体积小，高可靠性的因素来实现穿欧东系统的应用作用最大化，其中根据传动系统的造架，设定了目标函数：为齿轮的扭转位移的平均值以及体积最小化
F(X,k)=Wv1Fv1+ Wv2Fv2
公式中，W为加权因子；F1和F2表示扭转位移的平均值以及体积最小化
（3）约束条件的确定
为使齿轮根切并且模数适当，故控制齿数量为固定范围内，考虑到电机本身的齿轮传动涉及经验，选取齿轮的约束条件为
17≤Ζxs≦40 30≤Ζp≦40 17≤Ζ1≦40
17≤Ζ2≦40 17≤Ζ3≦40 17≤Ζ4≦40
公式中，齿轮数量都取整数计算。
ρ≤[ρ]
ρ=2KT/m•z•ψ•Y①*Y②
公式内，Y①为齿形系数；Y②为齿根应力集中系数
移位的齿轮中，齿轮传动的内外啮合角度于固定范围内选择的话，可以增强齿轮表面的强度，故啮合角约束为：
23.5°≤αsp≤26.5° 27.5°≤αsp≤21.5°
21.5°≤αsp≤26.5° 21.5°≤αsp≤26.5°
三、总结
研究表明，当优化设计达到可靠性达标的同时，将传动系统的体积减少17%左右，可以优化传动系统体积减小的目的。与此同时，传动系统的稳定性也提升了，更有利于风电发动机的运转。
本次研究通过以电机齿轮传动系统的动力可靠性优化设计，在确定了优化子部件的扭转移位值及体积最小化的变化因素，以目标可以使齿轮的随机参量取值更加合理，并使其结构更加规范，因为风电齿轮系统工作过程中的不稳定性因素过多，参数变化影响多，最优化设计方案显得尤为重要。根据参考文献可知，随着齿轮系统的参数变化，动力可靠性的影响变化显著，经过优化结果可得出，传动系统的子部件们扭转移位的平均值最大值的同时，均方差最大值呈减小趋势，故而得出经优化的传动系统部件振动情况趋于稳定，操作完善顺畅。
目前我国在风力发电产业发展迅速，风能源作为新型可持续发展能源，相关产业开发领域的薄弱环节的研究，刻不容缓，故而风力发电机齿轮传动系统及动力可靠性概率优化设计研究对推进行业发展，提升风电产业进步起到了至关重要的作用。
参考文献:
[1]苏程.尹朋平.齿轮系统非线性动力学帖子分析[J]中国机械工程.2011.11（16）：1922-1928.
[2]刘佩.姚谦峰.基于概率简单叠加法则的动力可靠度高效计算方法[J].工程力学.2021.27（4）：1-4.
[3]黄文怡.梁波.户春影.代洪庆.风力发电机齿轮传动系统动态优化设计方法[J] 2012.4
[4]刘忠明.风力发电齿轮箱设计与制造技术的发展展望.［J］郝信梓.2006.30（6）：1-7
[5]张勇.风力装备风头劲［J］装备制造..2008.21：62-66
论文作者:鲜朝鹏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/9
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