极端服役多工况风电齿轮箱箱体轻量化设计*

doi:10.16731/j.cnki.1671-3133.2024.09.020

现代制造工程 ›› 2024, Vol. 528 ›› Issue (9): 152-159.doi: 10.16731/j.cnki.1671-3133.2024.09.020

• 设备设计/诊断维修/再制造 • 上一篇

极端服役多工况风电齿轮箱箱体轻量化设计^*

叶楠^1,2, 张传棻^1,2, 王荣^1,2,3, 贺明荣⁴, 张雁辉^1,2, 段书用^1,2

1 河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,天津 300401;
2 河北工业大学机械工程学院,天津 300401;
3 西安交通大学复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室,西安 710049;
4 天津市华建天恒传动有限责任公司,天津 301800

收稿日期:2023-12-31 出版日期:2024-09-18 发布日期:2024-09-27
通讯作者: 王荣,副教授,硕士研究生导师,主要研究方向为机电装备可靠性分析与保质设计、材料损伤与断裂。E-mail:rongwang@hebut.edu.cn
作者简介:叶楠,讲师,硕士研究生导师,主要研究方向为工业机器人及核心零/部件可靠性、结构动态力学性能。张传棻,硕士研究生,主要研究方向为齿轮动力学分析、齿轮箱服役性能分析。
基金资助:
^*国家自然科学基金资助项目(52205259);河北省自然科学基金创新群体资助项目(E2020202142);复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室开放课题资助项目(SV2021-KF-15)

Lightweight design of wind turbine gearbox house under multiple extreme service load cases

YE Nan^1,2, ZHANG Chuanfen^1,2, WANG Rong^1,2,3, HE Mingrong⁴, ZHANG Yanhui^1,2, DUAN Shuyong^1,2

1 State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment, Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;
2 School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;
3 State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China;
4 Tianjin Teek Transmission Co.,Ltd.,Tianjin 301800,China

Received:2023-12-31 Online:2024-09-18 Published:2024-09-27

摘要/Abstract

摘要： 风电齿轮箱箱体轻量化设计对降低风机成本、提升风机功率密度及结构力学性能具有重要意义。受极端风况及气候条件影响,箱体长期遭受来自传动系统的无规律载荷冲击,导致优化设计过程中面临工况覆盖不全面、模型简化不合理以及材料利用率低等问题;因此,在考虑多种极端服役工况作用与模型合理等效的基础上,对箱体进行轻量化设计。基于模态试验对模型准确性验证的前提下,以箱体最小质量为优化目标,不同极限工况下箱体最大应力为约束条件,对箱体组成部件中主壳体、过渡板和后壳体进行了多工况优化设计,并对改进前后箱体性能进行对比。结果表明,优化后箱体的质量减小了4.7 %(549.8 kg),不同工况下最大位移和应力均大幅度减小。轻量化设计的同时提高了箱体的强度与刚度,可为风电齿轮箱的设计改进提供参考。

关键词: 极端服役工况, 多工况, 轻量化, 风电齿轮箱箱体, 模态试验

Abstract: The lightweight design of the wind turbine gearbox house is of great significance to reduce the cost of wind turbines,improve the power density of wind turbines and the mechanical properties of wind turbine structure.Affected by extreme wind conditions and climatic conditions,the housing has been subjected to the impact of irregular loads from the transmission system for a long time,which leads to the problems of incomplete load cases coverage,unreasonable model simplification and low material utilization rate in the optimization design process. Therefore,based on considering multiple extreme service load cases and reasonable equivalence of models,the lightweight design of the housing was carried out.Based on the premise of verifying the accuracy of the model through modal testing,with the minimum mass of the housing as the optimization goal,and with the maximum stress of the housing under different extreme load cases as the constraint condition,multi-condition optimization design was carried out on the main shell,transition plate and rear shell in the components of the housing,and a comparison of the performance of the housing before and after improvement was made.The results show that after optimization,the mass of the housing was reduced by 4.7 %(549.8 kg),and under different load cases,both maximum displacement and stress were significantly reduced. The lightweight design has also improved the strength and stiffness of the housing,which provides a reference for the design improvement of wind turbine gearboxes.

Key words: extreme service load cases, multiple load cases, lightweight, wind turbine gearbox house, modal test

中图分类号:

TK83

叶楠, 张传棻, 王荣, 贺明荣, 张雁辉, 段书用. 极端服役多工况风电齿轮箱箱体轻量化设计^*[J]. 现代制造工程, 2024, 528(9): 152-159.

YE Nan, ZHANG Chuanfen, WANG Rong, HE Mingrong, ZHANG Yanhui, DUAN Shuyong. Lightweight design of wind turbine gearbox house under multiple extreme service load cases[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2024, 528(9): 152-159.

参考文献

[1] 陈东,万文铭.提高齿轮箱扭矩密度的设计制造方法[J].智能制造,2022(4):95-98.
[2] 刘忠明.提高风电齿轮箱功率密度的方法[J].重庆大学学报,2015,38(1):133-139.
[3] 姜淑凤,贾瑞超,王俊峰,等.双柱立式车床横梁结构轻量化设计研究[J].现代制造工程,2022(4):143-148.
[4] 邓利军,王书贤,杨芳庆.汽车前防撞梁的耐撞性与轻量化优化设计[J].现代制造工程,2021(8):64-69.
[5] 孟亮,仲明哲,李文彪,等.面向增材制造的航空发动机外部系统支架拓扑优化设计[J].中国机械工程,2022,33(23):2822-2832.
[6] 邢广鹏,孙志刚,崔向敏,等.多工况载荷下航空发动机支架拓扑优化设计[J].航空动力学报,2020,35(11):2248-2262.
[7] 赵瑞杰,王春洁,阎肃.潜望式激光通信粗指向装置的多工况拓扑优化[J].北京航空航天大学学报,2020,46(11):2114-2120.
[8] 韩明轩,张洪信,赵清海,等.碰撞载荷工况下某城市客车车架拓扑优化设计[J].现代制造工程,2021(10):91-95,141.
[9] LIANG M,HU J,LI S,et al.Topology optimization of transmission gearbox under multiple working loads[J].Advances in Mechanical Engineering,2018,10(11):1-7.
[10] 彭显昌,蔡文奇,林志斌,等.电动汽车变速箱壳体静动态分析及拓扑优化设计[J].机械传动,2021,45(7):74-81.
[11] 毛范海,韩孟克,董惠敏,等.一种兆瓦风电齿轮箱前机体结构轻量化设计[J].机械传动,2015,39(11):50-53.
[12] 雷林,丁明泽,胡洪伟,等.基于响应曲面法风电齿轮箱行星架拓扑优化设计[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2022,41(1):143-148.
[13] 陶立壮,田德,唐世泽,等.基于遗传算法的海上风电机组齿轮箱体积优化[J].太阳能学报,2021,42(11):234-239.
[14] 赵萍.大型风力发电机组动力学[M].北京:科学出版社,2017:124.
[15] 魏莎,郑冰月,张忠,等.基于模态试验的对接圆柱壳结构有限元模型修正[J].振动与冲击,2022,41(17):9-17.
[16] 谭莉,程博,贾铎,等.多工况下的发动机支架拓扑优化设计[J].航空发动机,2022,48(2):90-95.
[17] TCHERNIAK D.Topology optimization of resonating structures using SIMP method[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,2002,54(11):1605-1622.

极端服役多工况风电齿轮箱箱体轻量化设计^*

Lightweight design of wind turbine gearbox house under multiple extreme service load cases

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	杨益, 程文明, 杜润, 饶雄. 仿生蛋形箱梁力学性能研究^*[J]. 现代制造工程, 2024, 525(6): 1-8.
[2]	高山凤, 雷乐, 赵伦, 叶凯, 李承旺, 赵升升, 宋振东, 鲍丹阳. 航空铝钛合金自冲铆接成形机理及力学行为研究^*[J]. 现代制造工程, 2024, 523(4): 1-6.
[3]	郭文凤, 刘春梅, 王云, 郑硕, 冯宇程. 柔性辊压成形技术及装备发展现状与展望^*[J]. 现代制造工程, 2024, 520(1): 151-161.
[4]	李恒;邱睿;周甘华;曹清林;刘锦程. 纤维增强复合材料汽车前防撞梁的设计与分析[J]. 现代制造工程, 2023, 514(7): 79-88.
[5]	康元春;刘智勇;刘俊峰. 铝/碳纤维复合材料保险杠轻量化设计[J]. 现代制造工程, 2023, 511(4): 76-80.
[6]	卢强;沈琴;刘钢;王晓玮;黄道柱. 碳纤维铝蜂窝复合材料汽车保险杠横梁轻量化设计[J]. 现代制造工程, 2023, 510(3): 77-82.
[7]	贾国平;牛国伟;张科;张明. 考虑动态特性的轧机辊系结构轻量化优化设计[J]. 现代制造工程, 2023, 510(3): 152-157.
[8]	赵帅;邹宇璁;岳鹏;郑颢;李伟. 汽车碰撞关键件非线性拓扑优化设计[J]. 现代制造工程, 2023, 518(11): 55-62.
[9]	薛阳;丁凯;李清;杨江天;李金星. 基于改进YOLOv5s的活塞杆表面缺陷检测[J]. 现代制造工程, 2023, 518(11): 104-112.
[10]	汪存喜;梅标;杨永泰. 基于尺寸和自由形状联合优化技术的叉车货架轻量化设计[J]. 现代制造工程, 2023, 517(10): 86-93.
[11]	凌静秀;李浩宇;王乾廷;张浩. 基于Kriging模型和MOGA的轮胎成型机辊压支架的轻量化研究[J]. 现代制造工程, 2023, 517(10): 126-134.
[12]	赵伦,林森,甘增康,雷乐,高山凤,霍小乐,郭子鑫,MD Shafiqul Islam. 钛-铝异种合金自冲铆接接头力学性能与微观组织分析[J]. 现代制造工程, 2023, 508(1): 77-82.
[13]	陈国雄，曹阳，张大斌，吴家雄，陈苗苗. 角钢法兰焊接机器人龙门架结构静动态特性与轻量化研究[J]. 现代制造工程, 2022, 504(9): 62-71.
[14]	张坤，马心坦，王传青，周云龙. 基于模态识别的参数化白车身轻量化优化设计[J]. 现代制造工程, 2022, 502(7): 57-63.
[15]	吴春岳，程祥，薛冰，刘原勇，郑光明，李阳. 三明治复合材料机械结构分析[J]. 现代制造工程, 2022, 502(7): 90-96.