正版新书]大型风电齿轮传动系统动态设计理论与方法魏静 汤宝平

目录前 言第1章 绪论11.1 概述11.2 风力发电的基本原理与分类21.2.1 风力发电的基本原理21.2.2 风力发电的分类31.3 风力发电发展简史71.4 风力发电齿轮传动系统的分类与特点101.5 风力发电齿轮传动系统研究现状151.5.1 风力发电齿轮传动系统优化设计151.5.2 风力发电齿轮传动系统动力学模型与动态特性161.5.3 风力发电齿轮传动系统故障类型与评价监测191.6 风电齿轮传动系统发展趋势221.6.1 单机容量向大型化发展221.6.2 大型风电增速齿轮箱研制中的主要技术难题231.7 本书主要内容24第2章 大型风电齿轮箱高功率密度设计理论与方法262.1 概述262.2 轻量化设计与高功率密度设计的区别与联系262.3 大型风电增速齿轮箱创新传动构型282.3.1 不同类型的传动构型282.3.2 NGW型行星轮系方案302.3.3 NW型行星轮系方案312.3.4 柔性销轴+功率分流行星齿轮传动构型332.3.5 机电集成式紧凑型传动构型352.3.6 无外圈轴承的行星轮系方案382.4 以减振减重为目标的系统宏观参数集成优化设计382.4.1 多目标优化设计392.4.2 多目标静态优化设计402.4.3 多目标动态优化设计462.4.4 传动系统多目标动态优化模型462.4.5 载荷系数482.4.6 动态优化设计结果与分析482.5 以高承载为目标的齿轮副全齿面拓扑修形522.6 以轻量化/高承载为目标的结构优化532.7 齿轮齿面改性与强化技术582.8 高强度与轻量化材料及其应用592.9 本章小结61第3章 大型风电齿轮传动系统齿轮齿面修形技术623.1 概述623.2 不同类型的齿轮齿面修形方式623.2.1 齿廓修形633.2.2 齿向修形673.2.3 曲面修形703.3 修形斜齿轮啮合刚度与误差非线性耦合解析模型及其参数影响723.3.1 斜齿轮接触线长度与接触位置723.3.2 基于切片法的斜齿轮啮合刚度计算原理743.3.3 修形斜齿轮啮合刚度与误差非线性耦合解析模型783.3.4 斜齿轮单齿啮合刚度变化规律813.3.5 修形参数对斜齿轮综合啮合刚度和传动误差的影响823.4 应用案例853.4.1 齿面修形对齿轮啮合接触状态的影响853.4.2 齿面修形对齿向载荷分布系数的影响883.4.3 齿面修形对承载能力的影响923.4.4 齿面修形对振动噪声的影响933.5 修形效果评价943.6 本章小结95第4章 大型风电齿轮箱振动与噪声控制技术964.1 概述964.2 风电齿轮箱动态激励964.2.1 考虑随机风载的风电增速齿轮箱外部动态激励964.2.2 风电增速齿轮箱内部动态激励1004.3 风电齿轮箱动力学性能分析1114.3.1 风电增速齿轮箱模态分析1114.3.2 振动响应分析1134.4 风电齿轮箱辐射噪声分析1154.4.1 声学基础1154.4.2 风电增速齿轮箱声学特性分析1164.5 风电齿轮箱振动噪声测试1184.5.1 风电增速齿轮箱振动测试分析1194.5.2 风电增速齿轮箱辐射噪声测试分析1214.6 风电齿轮箱振动与噪声控制技术1224.6.1 设计及加工1224.6.2 轮齿修形1264.6.3 结构优化1324.6.4 相位调谐1334.6.5 均载机构1414.7 本章小结141第5章 大型风电传动链多柔体动力学设计及共振规避方法1425.1 概述1425.2 动力学建模方法及模型1425.2.1 子结构模态综合法1425.2.2 子结构有限元模型1455.2.3 柔性多点约束的建立1475.2.4 多柔体动力学理论1515.2.5 模型实例1535.3 大型风机传动链多柔体系统动力学分析1565.3.1 时域与频域分析方法1565.3.2 算例与分析1585.4 大型风机传动链共振点甄别1665.4.1 频率筛选原则1665.4.2 阻尼筛选原则1675.4.3 能量筛选原则1685.4.4 速度筛选原则1705.4.5 系统坎贝尔图1725.4.6 扫频时/频域分析1745.5 大型风机传动链多柔体动力学优化设计1755.5.1 大型风机传动链动力学优化设计方法1755.5.2 箱体几何尺寸优化设计1775.5.3 齿轮几何参数优化设计1815.6 本章小结182第6章 大型风电齿轮箱行星轮系动态均载技术1846.1 概述1846.2 行星轮系均载系数定义及其计算方法1846.2.1 行星轮系均载系数定义1846.2.2 NWG型均载计算数学模型1856.2.3 NW型均载计算数学模型1886.3 行星轮系均载系数的参数灵敏度分析1906.3.1 齿轮误差对均载系数的灵敏度1906.3.2 齿轮设计参数对均载系数的灵敏度1936.4 均载机构对行星轮系均载性能的影响1936.4.1 “浮动自位”机构均载机理1936.4.2 柔性销轴式行星轮系均载机理1986.4.3 滑动轴承误差对行星齿轮传动系统均载性能的影响2006.4.4 具有柔性浮动和均载作用的行星架结构2046.5 行星轮系均载性能测试方法及其结果分析2046.5.1 行星轮均载系数测试方法2046.5.2 均载系数测试结果及其分析2086.6 本章小结211第7章 大型风电齿轮传动系统时变可靠性评估与设计方法2127.1 概述2127.2 时变可靠性模型与参数灵敏度2127.2.1 实测风速下的输入载荷2127.2.2 时变可靠度模型与求解2147.2.3 时变可靠性灵敏度的计算2187.2.4 算例与分析2207.3 基于可靠性的大型风电增速齿轮箱多目标优化设计方法2247.3.1 动态性能指标的非线性映射确定方法2247.3.2 复杂目标下的混合优化算法2297.3.3 优化方法的分析与检验2327.4 工程实例——风电增速齿轮箱综合性能多目标优化2367.4.1 设计变量的选择2377.4.2 多目标评价函数的确定2377.4.3 约束条件的确定2397.4.4 优化结果与分析2427.5 本章小结247第8章 大型风电齿轮箱结构件疲劳强度工程分析方法2488.1 概述2488.2 大型风电齿轮箱设计要求及载荷处理2488.2.1 设计基本要求2488.2.2 设计载荷及其数据处理2518.3 结构件疲劳强度基本参数及S-N曲线拟合2548.3.1 结构件S-N曲线的拟合2548.3.2 时域载荷工况循环次数2588.4 案例分析2608.4.1 箱体结构件疲劳强度分析2608.4.2 行星架结构件疲劳强度分析2628.5 考虑结合面摩擦的法兰盘疲劳强度分析模型2648.5.1 摩擦系数对法兰盘载荷分布的影响2658.5.2 法兰盘疲劳损伤计算模型2668.5.3 算例2688.6 风电齿轮箱行星轮系微动-滑动疲劳失效机理2698.6.1 行星轮系疲劳断裂的工程问题2698.6.2 微动-滑动疲劳失效机理2708.6.3 工程解决方案2758.7 本章小结277第9章 大型风电齿轮传动系统运行状态监测与故障诊断2789.1 概述2789.2 深度学习融合SCADA数据的状态监测2799.2.1 状态监测流程2799.2.2 LSTM融合SCADA数据的预测模型2809.2.3 LSTM融合SCADA数据的风电齿轮传动系统状态监测2819.2.4 案例分析2839.3 基于CMS数据的运行状态监测2859.3.1 风电齿轮传动系统故障振动特征2869.3.2 风电齿轮传动系统典型振动特征趋势指标2899.3.3 风电齿轮传动系统振动监测系统2939.4 风电齿轮传动系统早期故障诊断2959.4.1 泛化流形学习的风电齿轮传动系统早期故障诊断2969.4.2 动态加权小波包系数深度残差网络的风电齿轮传动系统故障诊断3089.4.3 案例分析3139.5 大数据驱动的风电齿轮传动系统健康管理3149.5.1 大数据驱动的风电齿轮传动系统健康管理系统构架3159.5.2 大数据驱动的风电齿轮传动系统健康管理系统功能层设计3179.5.3 案例分析3229.6 本章小结324参考文献325

党的二十大报告提出“积极稳妥推进碳达峰碳中和”。碳达峰碳中和将是我国未来社会发展的主要战略。能源结构正由“煤炭为主”向“多元化协同”转变，能源发展驱动正由“高速增长”向“高质量增长”、由“传统能源增长”向“新能源增长”转变。风能作为一种经济、绿色、可再生的清洁能源，在我国能源转型中的作用日益显著。目前，海上大功率风电已成为全球近几年的风力发电装机主要增长点，尤其是欧洲海上风电正引领着全球风电的发展方向。根据欧洲风能协会发布《2017年欧洲海上风电装机统计数据及发展趋势》报告显示：2017年，欧洲海上风电新增装机容量达到了创纪录的3.148GW，增长率为25%。全球风机大型化趋势确立，6MW 以上机型占据海上风电绝对主导地位，8-10MW 研发和问世速度加快，产业竞争格局已经颠覆；海外陆上风电已经全面进入 4-6MW 级别，国内三北地区也逐步过渡到 3-4MW 机型。领先于大机型研发的维斯塔斯、西门子、GE、明阳智能、东方电气等企业市场份额快速上升。近期新统计数据表明，我国海上风电取得突破进展。总体来说，国内风力发电机组单机容量整体上继续向大型化趋势发展。国内海上风电发展较晚，但发展迅速，海上风电5 MW及以上大型风电机组已正式运营，主要开发单位有海装、明阳、金风、湘电、东汽等几家。其中海装和东汽是双馈路线，明阳是半直驱，金风和湘电是直驱。随着海上风电技术的成熟，中国海上风电5 MW及以上机型将是主流产品。紧凑型风电齿轮箱结构与传统型风电齿轮箱差异较大，且包含部分整机设计内容，如风机主轴承、主轴承与轮毂连接、齿轮箱和电机连接等。半直驱紧凑型风力发电机成本优势的逐渐显露，已成为主要发展方向。而风电齿轮箱作为风电机组关键核心部件之一，由于研制及产业化相对于风电整机门槛更高，大型海上风电齿轮箱要求寿命≥25年，效率≥98%，工作环境温度-35℃～+50℃，并且需满足海上盐雾工作环境。 国外5MW及以上风电齿轮箱发展较早较快。国外5MW及以上大型风电齿轮箱制造商主要有ZF、Winergy等公司。ZF为MIH VESTAS 研发8-9.5MW风电齿轮箱并实现小批量应用，采用了齿轮箱与发电机集成设计构型。Winergy公司半直驱齿轮箱PZFG2456、PZFG2535采用两级行星结构一体化紧凑结构，即将齿轮箱与发电机一体化设计，将两级行星齿轮箱与永磁电机直接相连接，大约减少传动链长度35%。2016年，Adwen和Winergy宣布研制出一种适用于Adwen的AD8-180海上风机的齿轮箱，该齿轮箱输入转矩接近10000 kNm，重约86吨。国外风电齿轮箱核心制造商有：ZF、Winegy、Moventas等，优选单机容量已达12 MW并已挂机运行。国内能够真正自主研制大型风电齿轮箱的企业屈指可数，主要有南高齿、重齿、太原重工、南方宇航等几家。 增速型风力发电机组传动链主要技术路线方向为齿轮箱与发电机集成一体化设计，并向着大型化方向发展，对其关键核心部件—增速齿轮箱提出了“高可靠、高效率、高功率密度、低振动噪声、复杂工况适应性”的需求。系统机电集成设计技术、动态设计与减振降噪技术、关键零部件抗疲劳制造与装配技术、密封及润滑技术、大型风电齿轮箱工业性验证平台研制技术，以及在线远程监测、加速疲劳寿命试验方法和综合性能评价技术等，这些技术难题曾一度成为困扰国内齿轮箱制造企业的技术瓶颈与难题。 本书针对大型风电齿轮传动系统设计与运维中的技术问题，主要涉及大型风电齿轮箱高功率密度设计理论与方法、大型风电齿轮传动系统齿轮齿面修形技术、大型风电齿轮箱振动与噪声控制技术、大型风电传动链多柔体动力学设计及共振规避方法、大型风电齿轮箱行星轮系动态均载设计与测试技术、大型风电齿轮传动系统时变可靠性评估与设计方法、大型风电齿轮箱结构件疲劳强度工程分析方法、大型风电齿轮传动系统运行状态监测与故障诊断等方面进行了详细的阐述。在目前市场上同类书里，本书是第一部全面介绍大型风电齿轮传动系统动态设计理论与方法的著作，目前尚未有同类型的著作或相关资料。本书可作为从事大型风力发电齿轮传动系统研发参考，也可以作为从事齿轮传动核心基础件设计制造的学生，以及从事本专业的科研人员与企业工程技术人员参考。