大型风电齿轮传动系统动态设计理论与方法

本书结合作者多年的科研成果，系统、全面地介绍了大型风电齿轮传动系统高功率密度设计、齿轮齿面修形、振动噪声控制、动力学设计、时变可靠性设计等动态设计理论与方法的新研究成果。

本书主要内容包括：风力发电的基本原理和发展简史、风力发电齿轮传动系统的研究现状与发展趋势、大型风电齿轮箱高功率密度设计理论与方法、齿轮齿面修形技术、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技术、时变可靠性评估与设计方法、结构件疲劳强度工程分析方法，以及系统运行状态监测与故障诊断方法。

本书可作为大型风力发电齿轮传动系统研发人员的参考用书，也可作为其他行业齿轮传动核心基础件设计与制造相关专业的硕士研究生、博士研究生，以及科研人员与企业工程技术人员的参考用书。

魏静，1978 年 10 月生，江苏徐州人。重庆大学机械与运载工程学院教授，博士生导师；重庆市“巴渝学者”特聘教授，重庆市首批英才计划“创新领军人才”；长期从事风力发电机、航空发动机等高端装备动力传动系统动力学与振动噪声控制、传动机械学等领域的研究，先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、陆航装备与民机专项项目等 30 余项科研项目，发表论文 140 余篇，牵头获省部级与行业科技进步奖一等奖等 4项。

汤宝平，1971 年 9 月生，湖北黄梅人。重庆大学机械与运载工程学院教授，博士生导师；“百千万人才工程”国家级人选，享受国务院政府特殊津贴专家，国家重点研发计划项目负责人。长期从事机电装备智能运维、测试计量技术领域的研究，先后主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家“863”计划、国防军工计划等 30余项科研项目，发表论文 200 余篇，作为主要完成人获 1 项国家技术发明二等奖、1 项国家科技进步二等奖、1项国家级教学成果二等奖。

适读人群 ：研究生，博士生，工程技术人员，研究人员
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。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，大单机容量已达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。

我国能源结构正由“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”转变，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凸显。齿轮传动系统是增速型风机的核心组件，其性能直接决定装备的运行性能、服役寿命、安全性和可靠性。如何获得“高效率、高功率密度、低振动噪声、高工况适应性”是大型风电齿轮传动系统的行业性技术难题。针对大型、超大型风电机组整机与部件庞大的体积、尺寸与重量，复杂的部件和子系统间连接与集成关系，瞬息万变的复杂气动载荷条件，如何解决从产品概念设计、方案设计到详细设计以及试验验证等考虑全生命周期自主设计的一系列工程难题是严峻的挑战。随着当前风电行业对风力发电机组运行寿命和相应认证要求的不断提高，保证大型风电增速齿轮箱等关键部件的动力学特性、疲劳耐久性与可靠性以及系统可靠运行的状态监测与故障诊断等，是关键部件设计与制造必须面对的重要问题。

本书基于作者主持的国家重点研发计划、国际科技合作以及国内多家大型风电齿轮箱制造企业委托开发课题的研究成果，结合作者近年来的主要科研成果，针对大型风电齿轮传动系统设计中的关键技术问题，主要涉及风电齿轮传动系统高功率密度设计、动力学设计理论、传动链动态特性分析方法、时变可靠性设计、风电齿轮箱试验技术、故障诊断与系统监测等。本书内容丰富，技术体系全面，反映了作者近年来从事本领域研究取得的新进展，阐释了作者一些独到的见解。

本书第4章由刘文副教授撰写，第7章由李想撰写，第9章由汤宝平教授撰写，其余章节均由魏静教授撰写。

本书中相关研究成果得到2018年国家重点研发计划项目“大型风电齿轮传动系统关键技术及工业试验平台”课题二“大型风电齿轮传动系统动态设计与减振降噪技术”（2018YFB2001602）、2011年国家国际科技合作项目“5MW风电增速器合作开发”（2011DFB71670）的经费支持，且多年来一直得到太原重工股份有限公司、杭州前进齿轮箱集团股份有限公司、南京高精传动设备制造集团有限公司、重庆齿轮箱有限责任公司、国电联合动力技术有限公司等单位委托开发横向项目的支持。另外，博士研究生徐子扬、张世界以及硕士研究生赵宇豪、颜强、孙红、吕程等为本书的撰写提供了相关资料，在此一并致谢!

限于作者水平，书中不妥之处在所难免，期望读者批评指正。


作 者
2021年1月

目录
前 言
第1章 绪论1
1.1 概述1
1.2 风力发电的基本原理与分类2
1.2.1 风力发电的基本原理2
1.2.2 风力发电的分类3
1.3 风力发电发展简史7
1.4 风力发电齿轮传动系统的分类与特点10
1.5 风力发电齿轮传动系统研究现状15
1.5.1 风力发电齿轮传动系统优化设计15
1.5.2 风力发电齿轮传动系统动力学模型与动态特性16
1.5.3 风力发电齿轮传动系统故障类型与评价监测19
1.6 风电齿轮传动系统发展趋势22
1.6.1 单机容量向大型化发展22
1.6.2 大型风电增速齿轮箱研制中的主要技术难题23
1.7 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26
2.1 概述26
2.2 轻量化设计与高功率密度设计的区别与联系26
2.3 大型风电增速齿轮箱创新传动构型28
2.3.1 不同类型的传动构型28
2.3.2 NGW型行星轮系方案30
2.3.3 NW型行星轮系方案31
2.3.4 柔性销轴+功率分流行星齿轮传动构型33
2.3.5 机电集成式紧凑型传动构型35
2.3.6 无外圈轴承的行星轮系方案38
2.4 以减振减重为目标的系统宏观参数集成优化设计38
2.4.1 多目标优化设计39
2.4.2 多目标静态优化设计40
2.4.3 多目标动态优化设计46
2.4.4 传动系统多目标动态优化模型46
2.4.5 载荷系数48
2.4.6 动态优化设计结果与分析48
2.5 以高承载为目标的齿轮副全齿面拓扑修形52
2.6 以轻量化/高承载为目标的结构优化53
2.7 齿轮齿面改性与强化技术58
2.8 高强度与轻量化材料及其应用59
2.9 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62
3.1 概述62
3.2 不同类型的齿轮齿面修形方式62
3.2.1 齿廓修形63
3.2.2 齿向修形67
3.2.3 曲面修形70
3.3 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72
3.3.1 斜齿轮接触线长度与接触位置72
3.3.2 基于切片法的斜齿轮啮合刚度计算原理74
3.3.3 修形斜齿轮啮合刚度与误差非线性耦合解析模型78
3.3.4 斜齿轮单齿啮合刚度变化规律81
3.3.5 修形参数对斜齿轮综合啮合刚度和传动误差的影响82
3.4 应用案例85
3.4.1 齿面修形对齿轮啮合接触状态的影响85
3.4.2 齿面修形对齿向载荷分布系数的影响88
3.4.3 齿面修形对承载能力的影响92
3.4.4 齿面修形对振动噪声的影响93
3.5 修形效果评价94
3.6 本章小结95
第4章 大型风电齿轮箱振动与噪声控制技术96
4.1 概述96
4.2 风电齿轮箱动态激励96
4.2.1 考虑随机风载的风电增速齿轮箱外部动态激励96
4.2.2 风电增速齿轮箱内部动态激励100
4.3 风电齿轮箱动力学性能分析111
4.3.1 风电增速齿轮箱模态分析111
4.3.2 振动响应分析113
4.4 风电齿轮箱辐射噪声分析115
4.4.1 声学基础115
4.4.2 风电增速齿轮箱声学特性分析116
4.5 风电齿轮箱振动噪声测试118
4.5.1 风电增速齿轮箱振动测试分析119
4.5.2 风电增速齿轮箱辐射噪声测试分析121
4.6 风电齿轮箱振动与噪声控制技术122
4.6.1 设计及加工122
4.6.2 轮齿修形126
4.6.3 结构优化132
4.6.4 相位调谐133
4.6.5 均载机构141
4.7 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142
5.1 概述142
5.2 动力学建模方法及模型142
5.2.1 子结构模态综合法142
5.2.2 子结构有限元模型145
5.2.3 柔性多点约束的建立147
5.2.4 多柔体动力学理论151
5.2.5 模型实例153
5.3 大型风机传动链多柔体系统动力学分析156
5.3.1 时域与频域分析方法156
5.3.2 算例与分析158
5.4 大型风机传动链共振点甄别166
5.4.1 频率筛选原则166
5.4.2 阻尼筛选原则167
5.4.3 能量筛选原则168
5.4.4 速度筛选原则170
5.4.5 系统坎贝尔图172
5.4.6 扫频时/频域分析174
5.5 大型风机传动链多柔体动力学优化设计175
5.5.1 大型风机传动链动力学优化设计方法175
5.5.2 箱体几何尺寸优化设计177
5.5.3 齿轮几何参数优化设计181
5.6 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184
6.1 概述184
6.2 行星轮系均载系数定义及其计算方法184
6.2.1 行星轮系均载系数定义184
6.2.2 NWG型均载计算数学模型185
6.2.3 NW型均载计算数学模型188
6.3 行星轮系均载系数的参数灵敏度分析190
6.3.1 齿轮误差对均载系数的灵敏度190
6.3.2 齿轮设计参数对均载系数的灵敏度193
6.4 均载机构对行星轮系均载性能的影响193
6.4.1 “浮动自位”机构均载机理193
6.4.2 柔性销轴式行星轮系均载机理198
6.4.3 滑动轴承误差对行星齿轮传动系统均载性能的影响200
6.4.4 具有柔性浮动和均载作用的行星架结构204
6.5 行星轮系均载性能测试方法及其结果分析204
6.5.1 行星轮均载系数测试方法204
6.5.2 均载系数测试结果及其分析208
6.6 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212
7.1 概述212
7.2 时变可靠性模型与参数灵敏度212
7.2.1 实测风速下的输入载荷212
7.2.2 时变可靠度模型与求解214
7.2.3 时变可靠性灵敏度的计算218
7.2.4 算例与分析22