一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，包括如下步骤：设定优化的目标函数；设定待优化的优化变量；设定优化的约束条件；通过粒子群两层优化获得优化变量的最优解gbest。本发明使用粒子群两层优化获得齿轮传动系统的优化变量，第一层优化侧重于满足所有外齿轮接触疲劳强度安全系数的标准差较小的要求，并获取可行的齿数方案；第二层优化侧重于满足所有外齿轮的弯曲疲劳强度安全系数标准差较小的要求，并得出包括所有设计变量在内的细化配置方案。本发明使得优化的齿轮传动系统在满足各项强度指标的同时，各个外齿轮的寿命差距较小，能够有效避免齿轮传动系统中常出现的短板效应，提高齿轮传动系统的可靠性。
【专利说明】一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统的设计方法，尤其是涉及一种基于粒子群优化技术的兆瓦级的风力发电机行星传动齿轮箱的设计方法。
【背景技术】
[0002]风力发电机组的主齿轮箱是机组中一个非常重要的机械部件，其内的传动系统传动比大，传递功率高。风电齿轮箱往往安装于偏远的荒野、高山、海域等地，难以到达；齿轮箱所在的机舱空间非常狭小，维修十分不易，而如将齿轮箱从风机上吊装至地面维修，费用难以承受；这就迫使风机齿轮箱比普通齿轮箱有更高的可靠度要求。而风机齿轮箱的损坏约90%是由于某一个齿轮失效，但其造成的损失却大大超过该齿轮本身的价值，这就是风电齿轮箱中常出现的短板效应，因此在优化初期就缩短各齿轮间的寿命差距是十分必要的。
[0003]传统的通过人工计算逐一对比和遴选方案的齿轮传动系统优化方法，效率较低且无法保证方案最优。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明的目的是:提供一种自动化、精确的基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其中所述齿轮传动系统包括2个及以上的行星齿轮副或平行齿轮副，或至少I个行星齿轮副和至少I个平行齿轮副的组合；通过粒子群双层优化获得所述齿轮传动系统的优化变量X的最优解gbest ;所述优化变量X包括:传动比1、齿数z、模数m、螺旋角β，和齿宽系数
V,所述齿宽系数釋为工作齿宽与主动齿轮的分度圆直径的比值，
[0006]所述齿轮传动系统设计方法包括以下步骤:
[0007]a,设定优化的目标函数为fzaA+aA，式中，fH为接触疲劳强度安全系数的标准差，fp为弯曲疲劳强度安全系数的标准差，B2是权重因子，B^a2=I ;
[0008]b,设定待优化的优化变量为
【权利要求】
1.一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，所述齿轮传动系统包括2个及以上的行星齿轮副或平行齿轮副，或至少I个行星齿轮副和至少I个平行齿轮副的组合；通过粒子群双层优化获得所述齿轮传动系统的优化变量X的最优解gbest;所述优化变量X包括:传动比1、齿数Z、模数m、螺旋角β，和齿宽系数P ,所述齿宽系数f为工作齿宽与主动齿轮的分度圆直径的比值，其特征在于，所述齿轮传动系统设计方法包括以下步骤: a,设定优化的目标函数为式中，fH为接触疲劳强度安全系数的标准差，fF为弯曲疲劳强度安全系数的标准差，B1^a2是权重因子，ai+a2=l ； b,设定待优化的优化变量为x=[Ui,/iiT式中，f为所有传动比优化变量，?为所有齿数优化变量，g为所有模数优化变量 > 为所有螺旋角优化变量，0为所有齿宽系数优化变量； C，设定优化的约束条件； d，基于前述的目标函数和约束条件，通过粒子群两层优化获得优化变量的最优解bestg: 首先设定粒子群规模η ;第一层从规模为&*η的粒子群开始优化； 设定第一层粒子群优化的迭代次数gl ; 设定第一层粒子群 优化的惯性权重Q1，学习因子C11和C12 ;设定第一层粒子群优化的目标函数权重因子an、a12，其中an+a12=l ； 设定第二层粒子群优化的迭代次数g2 ; 设定第二层粒子群优化的惯性权重ω2，学习因子C21和C22 ;设定第二层粒子群优化的目标函数权重因子a21、a22，其中a21+a22=l ； 其中，aIl〉ai2，a21〈 a22，ω ?〉ω 2，C11〈 C21，C12〈 C22 ; 设定第一层粒子群优化的目标函数为f=anfH+a12fF，且第一层粒子群优化的优化变量为=x=[llkki>J，第一层粒子群优化后选出符合各约束条件的规模为η的粒子群，并且获得可行的齿数配置方案； 重新设定第二层粒子群优化的新的目标函数f=a21fH+a22fF，第二层粒子群优化时将齿数优化变量i和传动比优化变量I固化，第二层粒子群优化的优化变量为X2=[kbM; e,圆整gbest中的模数、计算并圆整齿宽，从而得到全部所述优化变量X的最终数值。
2.根据权利要求1所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，第一层粒子群优化包括以下步骤: 11)初始化一群粒子，粒子群规模为预设粒子群规模η的Ic1倍，然后圆整粒子中各齿数I，并验证是否满足各约束条件； 12)选择kfn的粒子群规模中选取符合各约束条件的η个粒子，计算其目标函数值；并将此η个粒子的位置标记为if";选取所述目标函数值最低的粒子，标记为gbest ； 13)初始化所得粒子群中各粒子的速度为Vf=Fmui^(Xtw-Xah) , 0.25 < randi<0.75 ； 14)进入迭代阶段，设定飞行速度为:
3.根据权利要求2所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，第二层粒子群优化包括以下步骤: 21)重新设定目标函数f=a21fH+a22fF，用于评定第一层粒子群优化后获得的粒子群中的各个粒子和Pf"、gbest的目标函数值； 22)设定V,中!,!维数的速度为O; 23)进入第二层迭代阶段，设定飞行速度为:
4.根据权利要求3所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，所述步骤25)中的终止条件设定为:达到最大迭代次数gl+g2或者满足精度条件: gbest的目标函数值f累计j次迭代的变化量小于一个预先设定的阈值e，|fn-fn_j| <e；其中fn为当前gbest的目标函数值，fn-j为j次迭代前的gbest的目标函数值。
5.根据权利要求1所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于， 所述接触疲劳强度安全系数的标准差fH为:
6.根据权利要求1所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，所述行星齿轮副或平行齿轮副的约束条件包括齿数约束条件、传动比误差约束条件、齿面接触疲劳强度约束条件、齿根弯曲疲劳强度约束条件、优化变量的上下限。
7.根据权利要求6所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，所述行星齿轮副的约束条件还包括邻接条件、同心条件和装配条件。
8.根据权利要求6所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，所述齿数约束条件包括:相啮合的两个齿轮的齿数对应满足最大公约数条件gcd(Zl, z2)≤k，k为小于等于3的正整数。
9.根据权利要求6所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，所述传动比误差约束为:
10.根据权利要求6所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，所述齿面接触疲劳强度约束条件、齿根弯曲疲劳强度约束条件为: 所有齿轮的齿面接触疲劳强度安全系数都大于最小接触疲劳强度安全系数，所有齿轮的齿根弯曲疲劳强度安全系数都大于最小弯曲疲劳强度安全系数，即:
11.根据权利要求6所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，所述优化变量的上下限为:
12.根据权利要求7所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于， 所述邻接条件为:
13.根据权利要求7所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于， 所述同心条件为:
14.根据权利要求7所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于， 所述装配条件为:
15.根据权利要求1所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，在圆整中，齿轮模数取0.5的整数倍。
16.根据权利要求1所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，所述齿轮传动系统为风机齿轮箱内的齿轮传动系统。
【文档编号】G06N3/00GK103870663SQ201410129389
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】陆群峰 申请人:南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司