基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化方法及装置

技术领域

本申请涉及风力发电建模技术领域，具体地涉及一种基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化方法、一种基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化装置、一种计算机可读存储介质及一种终端设备。

背景技术

风电齿轮箱是作为风力发电机组重要的传动部件之一，其主要功能是将风力作用下产生的动力传递给发电机，并使发电机得到相应的转速进行发电。风电齿轮箱一般安装在偏远地区，工作环境恶劣，受载情况复杂。突发性的阵风或者电网故障导致的突发载荷、发生故障时的紧急制动等，都会产生较大载荷，引起齿轮的过载折断。但目前齿轮箱设计主要基于LDD载荷与极限载荷对齿轮箱的疲劳和强度性能进行校核，并未考虑齿轮箱在冲击载荷作用下的响应特性。

申请内容

本申请实施例的目的是提供一种基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化方法、一种基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化装置、一种计算机可读存储介质及一种终端设备，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本申请第一方面提供一种基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化方法，包括：

建立表征风力发电机的叶轮、齿轮箱及发电机的动力传递关系的风力发电机传动链动力学模型；

通过极端阵风试验获得极端阵风的历时曲线，所述极端阵风的历时曲线至少包括极端阵风在模拟时间历程的不同时刻的风速及风向；

基于所述极端阵风的历时曲线对风力发电机进行极端阵风载荷模拟冲击试验，获得风力发电机的叶轮在极端阵风作用下，叶轮在所述模拟时间历程的不同时刻的叶轮转矩；

以叶轮在所述模拟时间历程的不同时刻的叶轮转矩为冲击激励，对所述风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，获得所述齿轮箱在所述冲击激励下的最大应力，若所述最大应力大于应力阈值，对所述齿轮箱进行结构优化，直至所述最大应力不大于所述应力阈值。

可选地，对所述风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，获得所述齿轮箱在所述冲击激励下的最大应力，包括：

对所述风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，获得所述齿轮箱在受到冲击载荷时的振动速度响应、振动加速度及动态应力的历时响应；

依据所述齿轮箱在受到冲击载荷时的振动速度响应、振动加速度及动态应力的历时响应，通过仿真确定所述齿轮箱的各部件出现最大历时冲击应力的目标位置；

确定所述目标位置在所述冲击激励下的最大应力。

可选地，确定所述目标位置的最大应力，包括：

获取所述目标位置在风力发电机正常运转工况下的静态应力；

将所述目标位置的最大历时冲击应力与所述静态应力进行叠加，得到所述目标位置在所述冲击激励下的最大应力。

可选地，对所述齿轮箱进行结构优化，至少包括：

调整所述齿轮箱的齿轮设计参数、加强所述齿轮箱的支撑结构或增大所述齿轮箱的齿轮轴最小轴径尺寸中的至少一者。

本申请第二方面提供一种基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化装置，包括：

模型建立模块，被配置为建立表征风力发电机的叶轮、齿轮箱及发电机的动力传递关系的风力发电机传动链动力学模型；

第一模拟模块，被配置为通过极端阵风试验获得极端阵风的历时曲线，所述极端阵风的历时曲线至少包括极端阵风在模拟时间历程的不同时刻的风速及风向；

第二模拟模块，被配置为基于所述极端阵风的历时曲线对风力发电机进行极端阵风载荷模拟冲击试验，获得风力发电机的叶轮在极端阵风作用下，叶轮在所述模拟时间历程的不同时刻的叶轮转矩；

第三模拟模块，被配置为以叶轮在所述模拟时间历程的不同时刻的叶轮转矩为冲击激励，对所述风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，获得所述齿轮箱在所述冲击激励下的最大应力，若所述最大应力大于应力阈值，对所述齿轮箱进行结构优化，直至所述最大应力不大于所述应力阈值。

可选地，所述第三模拟模块，包括：

动力学分析单元，被配置为对所述风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，获得所述齿轮箱在受到冲击载荷时的振动速度响应、振动加速度及动态应力的历时响应；

目标位置确定单元，被配置为依据所述齿轮箱在受到冲击载荷时的振动速度响应、振动加速度及动态应力的历时响应，通过仿真确定所述齿轮箱的各部件出现最大历时冲击应力的目标位置；

最大应力确定单元，被配置为确定所述目标位置在所述冲击激励下的最大应力。

可选地，最大应力确定单元，被配置为：

获取所述目标位置在风力发电机正常运转工况下的静态应力；

将所述目标位置的最大历时冲击应力与所述静态应力进行叠加，得到所述目标位置在所述冲击激励下的最大应力。

可选地，第三模拟模块，还包括：

优化单元，被配置为调整所述齿轮箱的齿轮设计参数、加强所述齿轮箱的支撑结构或增大所述齿轮箱的齿轮轴最小轴径尺寸中的至少一者。

本申请第三方面提供一种计算机可读存储介质，存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述的基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化方法的计算机程序。

本申请第四方面提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化方法。

本申请提供的实施方式具有以下有益效果：

通过对风力发电机齿轮箱的冲击性能进行评估，获得在极端风况下，齿轮箱各部件的应力历时曲线，通过判断冲击载荷作用过程中各部件应力是否满足其材料屈服强度实现对齿轮箱的抗冲击结构的优化，从而能有效提高风电机齿轮箱的优化效率及优化效果。

本申请实施例或实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请实施例，但并不构成对本申请实施例的限制。在附图中：

图1示意性示出了本申请实施方式的基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化方法的方法流程图；

图2示意性示出了本申请实施方式的齿轮箱动力学模型拓扑图；

图3示意性示出了本申请实施方式的齿轮箱设计逻辑流程图；

图4示意性示出了本申请实施方式的基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化装置的示意框图；

图5示意性示出了本申请实施方式的一种终端设备结构示意图。

附图标记说明

10-终端设备，100-处理器，101-存储器，102-计算机程序。

具体实施方式

以下结合附图对本申请实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请实施例，并不用于限制本申请实施例。

为了解决上述问题，如图1所示，本申请第一方面提供一种基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化方法，包括：

S100、建立表征风力发电机的叶轮、齿轮箱及发电机的动力传递关系的风力发电机传动链动力学模型；

S200、通过极端阵风试验获得极端阵风的历时曲线，极端阵风的历时曲线至少包括极端阵风在模拟时间历程的不同时刻的风速及风向；

S300、基于极端阵风的历时曲线对风力发电机进行极端阵风载荷模拟冲击试验，获得风力发电机的叶轮在极端阵风作用下，叶轮在模拟时间历程的不同时刻的叶轮转矩；

S400、以叶轮在模拟时间历程的不同时刻的叶轮转矩为冲击激励，对风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，获得齿轮箱在冲击激励下的最大应力，若最大应力大于应力阈值，对齿轮箱进行结构优化，直至最大应力不大于应力阈值。

如此，本申请通过对风力发电机齿轮箱的冲击性能进行评估，获得在极端风况下，齿轮箱各部件的应力历时曲线，通过判断冲击载荷作用过程中各部件应力是否满足其材料屈服强度实现对齿轮箱的抗冲击结构的优化，从而能有效提高风电机齿轮箱的优化效率及优化效果。

步骤S100中，在建立风力发电机传动链动力学模型之前，首先建立风力发电机的齿轮箱的动力学模型，首先确定齿轮箱各部件的设计参数，建立模型时，齿轮箱的齿轮轴、齿轮、行星架、箱体等部件可以通过有限元软件进行分析，以简化不影响结构强度和刚度的结构特征，将原有的质量和刚度矩阵导入多体动力学软件中，忽略外挂设备对齿轮箱整体刚性影响，将其简化为集中质量，最后对多体动力学模型中齿轮轴与轴承座之间的接触、齿轮副啮合接触、箱体与连接件的接触等接触关系以及力与力矩传递关系，进行相应的力元设置，例如，建立的齿轮箱动力学模型拓扑图如图2所示。其中，对齿轮箱的各部件进行有限元分析、简化结构，建立齿轮箱各部件的动力学模型的过程为现有技术，此处对此不作限定。

本申请根据能量守恒原理建立评估齿轮箱冲击性能的传动链动力学模型，模型包括叶轮、齿轮箱及发电机三部分。其中齿轮箱与叶轮通过低速轴连接，齿轮箱与发电机通过高速轴连接。齿轮箱系统通过扭力臂弹性支撑与机架连接。在多体动力学软件中将高速轴、低速轴与弹性支撑转化为相应的弹簧阻尼约束，从而建立风电传动链动力学模型。

步骤S200中，本申请采用极端阵风载荷模拟冲击激励，可以通过试验或仿真手段获得极端阵风的历时曲线，例如，可以基于极端阵风试验对齿轮箱服役区的风资源进行检测，获得齿轮箱服役区的极端阵风的历时曲线。其中，模拟时间历程指模拟极端阵风的持续时间，极端阵风的历时曲线反映了极端阵风的风向、风速在时域上的变化情况，其中，极端阵风的历时曲线的模拟方法为现有技术，此处对此不作赘述。

步骤S300中，以极端阵风的历时曲线的风速、风向变化数据对风力发电机进行极端阵风载荷模拟冲击试验，以获得风力发电机的叶轮在满足极端阵风的历时曲线的极端阵风的作用下的叶轮转矩的时间序列数据，即叶轮转矩的历时曲线，并以此作为齿轮箱的外部冲击激励历时曲线。可以理解的，叶轮转矩的时间序列数据与极端阵风的历时曲线是对应的，即叶轮转矩的时间序列数据表示是与极端阵风的历时曲线中风速、风向的时间序列数据是一一对应的。例如，极端阵风的历时曲线中，风速的时间序列数据为为{V1、V2、…Vn}，风向的时间序列数据为{X1、X2、…Xn}，则叶轮转矩的时间序列数据为{N1、N2、…、Nn}。

步骤S400中，为了提高模拟效率，减少计算量，本申请提取获得的极端阵风的历时曲线中的某一段时间历程的极端阵风数据，以该段时间历程的风速、风向对应的叶轮转矩作为冲击激励，对风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析；或者可以采用数值模拟方法对GL标准中规定的极端阵风(如ECD/EOG等)进行模拟，将模拟的时间历程的风速、风向下对应的叶轮转矩作为冲击激励。此处对此不作限定。

其中，对风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，获得齿轮箱在冲击激励下的最大应力，包括：

S401、对风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，获得齿轮箱在受到冲击载荷时的振动速度响应、振动加速度及动态应力的历时响应；具体的，对风力发电机传动链动力学模型进行系统动态响应分析，得出受冲击载荷时齿轮箱的振动速度响应、振动加速度及动态应力的历时响应，以对齿轮箱的系统模态进行计算和冲击响应的分析。

S402、依据齿轮箱在受到冲击载荷时的振动速度响应、振动加速度及动态应力的历时响应，通过仿真确定齿轮箱的各部件出现最大历时冲击应力的目标位置；其中，仿真方法为现有技术，此处对此不作限定。

S403、获取目标位置在风力发电机正常运转工况下的静态应力；将目标位置的最大历时冲击应力与静态应力进行叠加，得到目标位置在冲击激励下的最大应力。进而可以通过判断最大应力是否超过材料的屈服极限来确定齿轮箱各部件的抗冲击性能是否满足要求，若不满足要求，则对齿轮箱的结构设计进行优化调整，调整抗冲击性能不足的零部件的结构、参数等，直至验证结果满足要求。

其中，对齿轮箱进行结构优化，至少包括：调整齿轮箱的齿轮设计参数、加强齿轮箱的支撑结构或增大齿轮箱的齿轮轴最小轴径尺寸中的至少一者。具体的，通常情况下，齿轮箱中需要重点考虑冲击特性的区域包括：齿面啮合应力，齿轮箱体支撑位置，齿轮轴直径最小区域等。若存在某区域出现冲击载荷作用下的最大应力超过零件材料的屈服强度，则可以通过更改齿轮设计参数、加强齿轮箱支撑结构、增大齿轮轴最小轴径尺寸等调整手段对齿轮箱设计进行优化，然后更新齿轮箱模型，重新进行抗冲击性能分析。

如图3所示，本申请中，在齿轮箱的抗冲击性能满足要求后，还进一步对齿轮箱进行极限强度与疲劳寿命分析。其中，分析采用风电齿轮箱设计使用的极限载荷与LDD载荷。若满足要求则完成抗冲击设计流程，如不满足则需要对齿轮箱参数进行重新设计，且设计更新后重新对齿轮箱抗冲击性能进行评估，直至齿轮箱抗冲击性能、强度、疲劳均满足设计要求，完成抗冲击齿轮箱的设计。

如图4所示，本申请第二方面提供一种基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化装置，包括：

模型建立模块，被配置为建立表征风力发电机的叶轮、齿轮箱及发电机的动力传递关系的风力发电机传动链动力学模型；

第一模拟模块，被配置为通过极端阵风试验获得极端阵风的历时曲线，极端阵风的历时曲线至少包括极端阵风在模拟时间历程的不同时刻的风速及风向；

第二模拟模块，被配置为基于极端阵风的历时曲线对风力发电机进行极端阵风载荷模拟冲击试验，获得风力发电机的叶轮在极端阵风作用下，叶轮在模拟时间历程的不同时刻的叶轮转矩；

第三模拟模块，被配置为以叶轮在模拟时间历程的不同时刻的叶轮转矩为冲击激励，对风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，获得齿轮箱在冲击激励下的最大应力，若最大应力大于应力阈值，对齿轮箱进行结构优化，直至最大应力不大于应力阈值。

可选地，第三模拟模块，包括：

动力学分析单元，被配置为对风力发电机传动链动力学模型进行动力学分析，获得齿轮箱在受到冲击载荷时的振动速度响应、振动加速度及动态应力的历时响应；

目标位置确定单元，被配置为依据齿轮箱在受到冲击载荷时的振动速度响应、振动加速度及动态应力的历时响应，通过仿真确定齿轮箱的各部件出现最大历时冲击应力的目标位置；

最大应力确定单元，被配置为确定目标位置在冲击激励下的最大应力。

可选地，最大应力确定单元，被配置为：

获取目标位置在风力发电机正常运转工况下的静态应力；

将目标位置的最大历时冲击应力与静态应力进行叠加，得到目标位置在冲击激励下的最大应力。

可选地，第三模拟模块，还包括：

优化单元，被配置为调整齿轮箱的齿轮设计参数、加强齿轮箱的支撑结构或增大齿轮箱的齿轮轴最小轴径尺寸中的至少一者。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本申请第三方面提供一种计算机可读存储介质，存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述的基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化方法的计算机程序。

本申请第四方面提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的基于时域分析的风力发电机齿轮箱抗冲击优化方法。

如图5所示是本申请实施方式提供的终端设备的示意图。如图5所示，该实施例的终端设备10包括：处理器100、存储器101以及存储在存储器101中并可在处理器100上运行的计算机程序102。处理器100执行计算机程序102时实现上述方法实施例中的步骤。或者，处理器100执行计算机程序102时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

示例性的，计算机程序102可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器101中，并由处理器100执行，以完成本申请。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序102在终端设备10中的执行过程。

终端设备10可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。终端设备10可包括，但不仅限于，处理器100、存储器101。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是终端设备10的示例，并不构成对终端设备10的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

处理器100可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器101可以是终端设备10的内部存储单元，例如终端设备10的硬盘或内存。存储器101也可以是终端设备10的外部存储设备，例如终端设备10上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器101还可以既包括终端设备10的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器101用于存储计算机程序以及终端设备10所需的其他程序和数据。存储器101还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

综上，本申请采用时域模拟法，基于考虑各种非线性的因素建立齿轮箱及传动链动力仿真模型，对设备在时间域上进行瞬态动力学分析，从而能够正确模拟齿轮箱的结构和减振元件的质量、刚度和阻尼，可以较真实地反映系统的动力学特征，得出合理的计算结果。同时，本申请利用实测或模拟的极端阵风时间历程曲线，通过仿真计算获得风电机叶轮处的冲击载荷时间历程，并以此作为冲击输入，可以精确的描述外部载荷。本申请通过采用非线性传动链动力学模型，以冲击载荷时间历程作为输入，可以得到任意时刻节点的动态响应，提供更加详细、合理的响应结果，有效提高了齿轮箱设计的效率。同时，本申请以齿轮箱模型中各节点应力的时间历程是否存在超过材料屈服强度的时刻为判断依据，对齿轮箱的冲击性能进行评估，能够准确反映齿轮箱抗冲击性能薄弱区域，以便设计人员给出具有针对性的结构优化。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。