一种风电齿轮箱齿轮传动系统参数优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种风电齿轮箱传动系统参数优化方法，特别是一种风电齿轮箱的齿 轮链参数优化方法，其属于风电齿轮箱优化设计领域。
【背景技术】
[0002] 风电齿轮箱传递功率大、工作环境恶劣，齿轮作为易损件往往是导致齿轮箱失效 的主要原因，其主要失效形式包括齿轮的抗弯能力不足、齿面胶合、齿面点蚀等。与其它工 业齿轮箱相比，由于风电齿轮箱安装在距地面几十米甚至一百多米高的狭小机舱内，其本 身的体积和重量对机舱、塔架、基础、机组风载、安装维修费用等都有重要影响，因此，减小 外形尺寸和减轻重量显得尤为重要。同时，由于维修不便、维修成本高，通常要求齿轮箱的 设计寿命为20年，对可靠性的要求也极其苛刻。由于尺寸和重量与可靠性往往是一对不可 调和的矛盾，因此风电齿轮箱的设计制造往往陷入两难的境地。总体设计阶段应在满足可 靠性和工作寿命要求的前提下，以最小体积、最小重量为目标进行传动方案的优化
[0003] 相对于传统的基于进化算法处理方法，遗传算法对于解决有约束的优化问题有很 大的优势。首先算法具有高效的全局搜索能力非常适合于求解复杂相对较高而可行域相对 较小的问题，因为算法采用全局搜索模式，可以同时搜索多个非劣解，有利于形成非劣最优 解集；其次，遗传算法对寻优对象要求简单，本身复杂度较低，因此适应性较强，可处理多类 型的带约束问题，也易于与传统方法结合改善自身性能。
[0004] 风电齿轮传动系统由3级齿轮对组成，每级齿轮对含有大小不同，个数不同的齿 轮，每个齿轮都有代表自己的参数，整体的齿轮传动系包括多个设计参数，且参数之间存 在一定的耦合关系，参数的选择很大程度上决定了适应度函数和约束的性能。以往的参数 设计，以往大多依赖于设计者的经验来选择设计选取参数，这往往导致设计的冗余，给实 际应用带来了很大的不便。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种基于遗传算法的风电齿轮箱齿轮传动系统的参数优 化方法，其在齿轮的加工，安装，性能等约束条件下得到一组最优控制器参数，使得风电齿 轮箱齿轮传动链的重量最小，同时保证一定的体积范围。并且将控制器参数选择问题转化 为相应的优化问题来求解，采用成型的优化算法进行设计，不依赖设计者的经验，可移植性 好。
[0006] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为风电齿轮箱齿轮传动链参数优化 方法，其具体步骤如下：
[0007] (1)、设定风电齿轮箱齿轮传动链中的优化参数；包括低速级齿轮模数，低速级太 阳轮齿数，低速级行星轮齿数，中间级齿轮模数，中间级太阳轮齿数，中间级行星轮齿数，高 速级齿轮模数和高速级小齿轮齿数，共计8个优化参数；
[0008] (2)、以齿轮的安装、传动比和性能要求作为约束条件，建立以传动链的体积最小 的单目标优化模型；
[0009] (3)、采用遗传算法对目标函数进行优化求解，在满足风电输入和输出功率约束条 件下，获得传动链的体积最小的各齿轮参数组合，完成齿轮传动系轻量化参数优化。
[0010] 所述步骤（2)中依据齿轮传动的传动比和齿数的关系、齿轮的安装条件、齿轮系 的运动要求、齿轮的性能要求等约束，从相互影响制约的参数中选择出相互独立的参数，其 余的参数用相关的参数表示，根据齿轮加工等的一些约束要求确定相应的参数的取值范 围。
[0011] 所述步骤⑵中的单目标优化模型中的体积目标函数为：
[0012]
【主权项】
1. 一种风电齿轮箱齿轮传动系统参数优化方法，其基于齿轮使用性能的风电齿轮箱齿 轮传动链参数优化模型进行优化，其包括以下步骤： (1) 、设定风电齿轮箱齿轮传动链中的优化参数；包括低速级齿轮模数，低速级太阳轮 齿数，低速级行星轮齿数，中间级齿轮模数，中间级太阳轮齿数，中间级行星轮齿数，高速级 齿轮模数和高速级小齿轮齿数，共计8个优化参数； (2) 、以齿轮的安装、传动比和性能要求作为约束条件，建立以传动链的体积最小的单 目标优化模型； (3) 、采用遗传算法对目标函数进行优化求解，在满足风电输入和输出功率约束条件 下，获得传动链的体积最小的各齿轮参数组合，完成齿轮传动系轻量化参数优化。
2. 根据权利要求1所述的风电齿轮箱齿轮传动系统参数优化方法，其特征在于：所述 步骤（2)中的单目标优化模型中，体积的目标函数为：
其中，nwi为相应的齿轮的个数，主要和行星轮的个数有关；Vi为不同位置齿轮的体积，V为总的体积向量，1111、1112、 1113分别表示三级传动齿轮模数，231、^2表示低速级和中间级的太 阳轮齿数，zbl、zb2表示低速级和中间级的行星轮齿数，zb3、za3表示高速级大小齿轮齿数。
3. 根据权利要求1所述的风电齿轮箱齿轮传动系统参数优化方法，其特征在于：所述 步骤（3)中遗传算法采用目标函数V的倒数为适应度函数，即：
其中，F为适应度函数值向量。
4. 根据权利要求1所述的风电齿轮箱齿轮传动系统参数优化方法，其特征在于：所述 步骤（3)中遗传算法，其选择算子采用比例选择算子，交叉算子采用单点交叉算子，变异算 子采用基本位变异算子。
【专利摘要】本发明设计了基于遗传算法的风电齿轮箱齿轮传动链参数优化方法。发明用基于齿轮使用性能的多级齿轮传动模型，采用遗传算法工具箱进行优化，以各级齿轮的参数为变量，将传动系的传动比条件、齿轮的装配条件、齿轮的齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度等作为约束条件，以传动体积最小为目标进行优化。该方法着重解决的问题是，在满足齿轮系的安装和性能的双重约束条件下，能够得到一组较优的齿轮参数，并且能够跳出局部最优得到全局最优解的特点。将传统齿轮系设计中参数选择问题转化为相应的优化问题求解，采用成型的优化设计算法进行设计，改变了以往单纯依靠设计者的经验的不良现状。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104573389
【申请号】CN201510039287
【发明人】张建新, 张占葛
【申请人】大连大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月27日