大型风电齿轮传动系统动态设计理论与方法

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。

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近期新研究成果。
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。

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
2.3.2NGW型行星轮系方案30
2.3.3NW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
……