CN113987713B - 一种风电机组齿轮箱螺旋角优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电机组齿轮箱螺旋角优化方法及系统。所述方法包括：以螺旋角的级数作为因素，以每级的螺旋角对应的螺旋角值作为水平建立正交试验，得到多个正交试验方案；将所有正交试验方案输入齿轮箱多体动力学方程得到每个正交试验方案的整体振动健康状态；根据所有正交试验方案的整体振动健康状态得到各因素在各水平下的振动健康状态；根据各因素在各水平下的振动健康状态得到各因素对应的优选水平集合；根据各因素对应的优选水平集合得到多个待选方案；将各待选方案输入齿轮箱多体动力学方程得到每个待选方案的整体振动健康状态；确定最大的振动健康状态对应的待选方案为最终的螺旋角方案。本发明得到的风电机组齿轮箱实现了减振的效果。

Description

一种风电机组齿轮箱螺旋角优化方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风电机组齿轮箱螺旋角优化方法及系统。

背景技术

现有主要的齿轮箱减振方法是轮齿修形，但齿轮修形依靠较高的制造精度，实践起来较困难，难以保证高精度要求，且制造成本高。风电机组齿轮箱采用的齿轮类型主要有直齿轮及斜齿轮，在同等受力的情况下，斜齿轮相对于直齿轮和人字齿轮的承载能力更强，一对平行轴斜齿圆柱齿轮啮合时，斜齿轮的齿廓是逐渐进入、逐渐脱离啮合的，斜齿轮齿廓接触线的长度由零逐渐增加又逐渐缩短，直至脱离接触，其啮合过程长，啮合的齿轮对数也比直齿轮多，重合度大。人字齿轮虽具有斜齿轮的优点，也克服了斜齿轮会产生较大的轴向力这一缺点，但其加工制造困难造价高，承载能力稍差，所以目前主流的三点式支撑风电机组齿轮箱均采用斜齿轮。

虽然大螺旋角下的齿轮重合度高，法向振动载荷小，传动平稳，但轴向载荷显著增加会引起轴承疲劳破坏，因此，合适的螺旋角对齿轮箱减振有重要的实际意义，但目前齿轮箱减振方法的研究并没有采用多级螺旋角优化的方法，螺旋角通常采用经验值，没有相关的基于减振目标的多级螺旋角设计方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电机组齿轮箱螺旋角优化方法及系统，得到的风电机组齿轮箱实现了减振的效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种风电机组齿轮箱螺旋角优化方法，包括：

以螺旋角的级数作为因素，以每级的螺旋角对应的螺旋角值作为水平建立正交试验，得到多个正交试验方案；

将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的整体振动健康状态；

根据所有所述正交试验方案的整体振动健康状态得到各因素在各水平下的振动健康状态；

根据各因素在各水平下的所述振动健康状态得到各因素对应的优选水平集合；

根据各因素对应的优选水平集合得到多个待选方案，一个所述待选方案包括所有因素且一个所述待选方案中的任意一个因素的水平为所述因素对应的优选水平集合中的一个水平；

将各所述待选方案分别输入所述齿轮箱多体动力学方程得到每个所述待选方案的整体振动健康状态；

确定最大的振动健康状态对应的待选方案为最终的螺旋角方案。

可选的，所述将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的整体振动健康状态，具体包括：

将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的振动参数健康值；所述振动参数健康值包括振动位移健康状态值、振动速度健康状态值和振动加速度健康状态值；

根据每个所述正交试验方案的振动参数健康值得到对应的所述正交试验方案的整体振动健康状态。

可选的，所述将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的振动参数健康值，具体包括：

对于任意一个正交试验方案，将所述正交试验方案输入齿轮箱多体动力学方程得到所述方案对应的振动位移峰峰值、振动速度有效值和振动加速度峰值；

根据振动位移峰峰值得到振动位移健康状态值；

根据振动速度有效值得到振动速度健康状态值；

根据振动加速度峰值得到振动加速度健康状态值。

可选的，所述根据各因素在各水平下的所述振动健康状态得到各因素对应的优选水平集合，具体包括：

对于任意一个因素，根据所述因素在各水平下的所述振动健康状态绘制水平-健康状态曲线图；

根据所述水平-健康状态曲线图和设定阈值确定所述因素对应的优选水平集合。

可选的，所述根据每个所述正交试验方案的振动参数健康值得到对应的所述正交试验方案的整体振动健康状态，具体包括：

对于任意一个正交试验方案，根据所述正交实验方案的振动位移得到齿轮箱的低速输入轴轴向振动位移健康值；

根据所述正交实验方案的振动速度得到所述齿轮箱的低速输入轴X方向振动速度健康值和低速输入轴Y方向振动速度健康值；

根据所述正交试验方案的振动加速度得到所述齿轮箱的高速输出轴X方向振动加速度健康值和高速输出轴Y方向振动加速度健康值；

根据所述低速输入轴轴向振动位移健康值、所述低速输入轴X方向振动速度健康值、所述低速输入轴Y方向振动速度健康值、所述高速输出轴X方向振动加速度健康值和所述高速输出轴Y方向振动加速度健康值得到所述正交试验方案的整体振动健康状态。

一种风电机组齿轮箱螺旋角优化系统，包括：

正交试验建立模块，用于以螺旋角的级数作为因素，以每级的螺旋角对应的螺旋角值作为水平建立正交试验，得到多个正交试验方案；

方案健康状态确定模块，用于将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的整体振动健康状态；

因素健康状态确定模块，用于根据所有所述正交试验方案的整体振动健康状态得到各因素在各水平下的振动健康状态；

优选水平集合确定模块，用于根据各因素在各水平下的所述振动健康状态得到各因素对应的优选水平集合；

待选方案确定模块，用于根据各因素对应的优选水平集合得到多个待选方案，一个所述待选方案包括所有因素且一个所述待选方案中的任意一个因素的水平为所述因素对应的优选水平集合中的一个水平；

待选方案健康状态确定模块，用于将各所述待选方案分别输入所述齿轮箱多体动力学方程得到每个所述待选方案的整体振动健康状态；

螺旋角方案确定模块，用于确定最大的振动健康状态对应的待选方案为最终的螺旋角方案。

可选的，所述方案健康状态确定模块，具体包括：

振动参数确定单元，用于将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的振动参数健康值；所述振动参数健康值包括振动位移健康状态值、振动速度健康状态值和振动加速度健康状态值；

方案健康状态确定单元，用于根据每个所述正交试验方案的振动参数健康值得到对应的所述正交试验方案的整体振动健康状态。

可选的，所述振动参数确定单元，具体包括：

输入子单元；对于任意一个正交试验方案，将所述正交试验方案输入齿轮箱多体动力学方程得到所述方案对应的振动位移峰峰值、振动速度有效值和振动加速度峰值；

振动位移确定子单元，用于根据振动位移峰峰值得到振动位移健康状态值；

振动速度确定子单元，用于根据振动速度有效值得到振动速度健康状态值；

振动加速度确定子单元，用于根据振动加速度峰值得到振动加速度健康状态值。

可选的，所述优选水平集合确定模块，具体包括：

绘图单元，用于对于任意一个因素，根据所述因素在各水平下的所述振动健康状态绘制水平-健康状态曲线图；

优选水平集合确定单元，用于根据所述水平-健康状态曲线图和设定阈值确定所述因素对应的优选水平集合。

可选的，所述方案健康状态确定单元，具体包括：

位移健康值确定子单元，用于对于任意一个正交试验方案，根据所述正交实验方案的振动位移得到齿轮箱的低速输入轴轴向振动位移健康值；

速度健康值确定子单元，用于根据所述正交实验方案的振动速度得到所述齿轮箱的低速输入轴X方向振动速度健康值和低速输入轴Y方向振动速度健康值；

加速度健康值确定子单元，用于根据所述正交试验方案的振动加速度得到所述齿轮箱的高速输出轴X方向振动加速度健康值和高速输出轴Y方向振动加速度健康值；

振动健康状态确定子单元，用于根据所述低速输入轴轴向振动位移健康值、所述低速输入轴X方向振动速度健康值、所述低速输入轴Y方向振动速度健康值、所述高速输出轴X方向振动加速度健康值和所述高速输出轴Y方向振动加速度健康值得到所述正交试验方案的整体振动健康状态。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明以螺旋角的级数作为因素，以每级的螺旋角对应的螺旋角值作为水平建立正交试验，得到多个正交试验方案；将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的整体振动健康状态；根据所有所述正交试验方案的整体振动健康状态得到各因素在各水平下的振动健康状态；根据各因素在各水平下的所述振动健康状态得到各因素对应的优选水平集合；根据各因素对应的优选水平集合得到多个待选方案；将各所述待选方案分别输入所述齿轮箱多体动力学方程得到每个所述待选方案的整体振动健康状态；确定最大的振动健康状态对应的待选方案为最终的螺旋角方案，对风电机组齿轮箱的减振具有明显的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种风电机组齿轮箱螺旋角优化方法的流程图；

图2是本发明提供的振动信号与健康状态转化图；

图3是本发明提供的啮合刚度随螺旋角变化示意图；

图4是本发明提供的不同螺旋角下轴向振动示意图；

图5是本发明提供的因素水平影响效应评估示意图；

图6是本发明提供的螺旋角优化前后减振效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

对风电机组齿轮箱螺旋角优化实现减振的理论基础是斜齿轮产生的轴向推力造成齿轮箱振动，当前风电机组齿轮箱减振设计主要方法包括齿采用斜齿轮或齿轮修形等方法。

依靠齿轮修形优化可以在不改变齿轮箱整体尺寸和一些基本参数的前提下，改善齿轮箱啮合状态与传递性能，达到减振降噪的效果，但齿轮修形同样依靠较高的制造精度实践起来较困难，且制造成本较高，斜齿轮相对于直齿轮和人字齿轮的承载能力更强，具有更高的重合度，能够增加齿轮箱的传动平稳性，所以目前风电机组齿轮箱齿轮均采用斜齿轮，但是随着斜齿轮的螺旋角增大，齿轮及轴承承受的轴向载荷会增大，因此需要选择合适的螺旋角以保证齿轮箱整体最佳的振动性能。

目前风电机组状态监测借助国际标准ISO-10816及国家标准GB/T-6075对振动范围进行等级评价，实现振动状态评估。同时，有专门针对风电机组振动监测的相关标准VDI-3834等。但现有的振动标准ISO-10816和VDI-3834振动测评精度不足，振动标准不够量化，缺乏有效衡量齿轮箱整体振动状况的标准，且VDI-3834振动标准主要针对功率<3MW陆地使用的双馈机组，适用范围较小，具有一定的局限性。

而且当前齿轮箱减振方法的研究并没有采用多级螺旋角优化的方法，螺旋角通常采用经验值，没有相关的基于减振目标的多级螺旋角设计方案。因此，如何提出高效衡量齿轮箱整体振动状况标准对斜齿轮螺旋角进行优化设计成为本领域技术人员亟待解决的技术问题，通过本发明的风电机组齿轮箱螺旋角优化方法提出了风电机组齿轮箱新型振动评估标准并基于多级螺旋角优化的风电齿轮箱减振设计方案，实现整体齿轮箱振动载荷最小，齿轮箱可靠性提升的难题，具体步骤如下：

步骤101：以螺旋角的级数作为因素，以每级的螺旋角对应的螺旋角值作为水平建立正交试验，得到多个正交试验方案。

步骤102：将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的整体振动健康状态Ω。

步骤103：根据所有所述正交试验方案的整体振动健康状态得到各因素在各水平下的振动健康状态。

步骤104：根据各因素在各水平下的所述振动健康状态得到各因素对应的优选水平集合。

步骤105：根据各因素对应的优选水平集合得到多个待选方案，一个所述待选方案包括所有因素且一个所述待选方案中的任意一个因素的水平为所述因素对应的优选水平集合中的一个水平。

步骤106：将各所述待选方案分别输入所述齿轮箱多体动力学方程得到每个所述待选方案的整体振动健康状态。

步骤107：确定最大的振动健康状态对应的待选方案为最终的螺旋角方案。

在实际应用中，步骤102具体包括：

将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的振动参数健康值；所述振动参数健康值包括振动位移健康状态值、振动速度健康状态值和振动加速度健康状态值。

根据每个所述正交试验方案的振动参数健康值得到对应的所述正交试验方案的整体振动健康状态。

在实际应用中，所述将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的振动参数健康值，具体包括：

对于任意一个正交试验方案，将所述正交试验方案输入齿轮箱多体动力学方程得到所述方案对应的振动位移峰峰值、振动速度有效值和振动加速度峰值。

根据振动位移峰峰值得到振动位移健康状态值。

根据振动速度有效值得到振动速度健康状态值。

根据振动加速度峰值得到振动加速度健康状态值。

在实际应用中，步骤104具体包括：

对于任意一个因素，根据所述因素在各水平下的所述振动健康状态绘制水平-健康状态曲线图。

根据所述水平-健康状态曲线图和设定阈值确定所述因素对应的优选水平集合。

在实际应用中，所述根据每个所述正交试验方案的振动参数健康值得到对应的所述正交试验方案的整体振动健康状态，具体包括：

对于任意一个正交试验方案，根据所述正交实验方案的振动位移得到齿轮箱的低速输入轴轴向振动位移健康值。

根据所述正交实验方案的振动速度得到所述齿轮箱的低速输入轴X方向振动速度健康值和低速输入轴Y方向振动速度健康值。

根据所述正交试验方案的振动加速度得到所述齿轮箱的高速输出轴X方向振动加速度健康值和高速输出轴Y方向振动加速度健康值。

根据所述低速输入轴轴向振动位移健康值、所述低速输入轴X方向振动速度健康值、所述低速输入轴Y方向振动速度健康值、所述高速输出轴X方向振动加速度健康值和所述高速输出轴Y方向振动加速度健康值得到所述正交试验方案的整体振动健康状态。

如图1所示，本发明实施例提供了一种具体采用上述方法的方案大体为：建立大型风电机组齿轮箱多体动力学模型；建立新型齿轮箱振动性能评估标准；设计正交试验方案并进行动力学分析，初步得到较优设计方案；基于新型振动评估标准，建立遍历分析方案，细化最优螺旋角设计方案；得到最佳的齿轮箱多级螺旋角设计方案，并与大型风电机组齿轮箱振动状态进行对比。具体过程如下：

步骤1、确定大型风电机组齿轮箱的基本参数；基本参数包括：齿数、模数、螺旋角、压力角等。

步骤2、建立步骤1中对应齿轮箱的多体动力学方程。

步骤3、对步骤2中建立的齿轮箱多体动力学方程性能进行模态分析，避免产生共振现象；对齿轮箱进行模态分析得到其对应的各阶固有频率，将额定转速下的齿轮箱主要内部激励频率与之对比，保证两者之间不存在交叉或者重合现象，从而避免共振现象的出现。

步骤4、大型风电机组齿轮箱内主要轴有四个，分别为主轴、中速轴、高速输入轴和高速输出轴，各轴铰接在箱体上，一、二级行星架与主轴、中速轴固定铰接，行星轮铰接在行星架上，内齿圈均以X、Y方向浮动铰接在箱体上。由于啮合齿轮的啮合力由啮合刚度和啮合阻尼组成，而啮合刚度与重合度有关，包括端面重合度与纵向重合度，单对齿刚度C'₁和啮合刚度C的计算公式为：

C＝C'₁(0.75ε_α+0.25)，式中，z_γ1、z_γ2分别为两齿轮的当量齿数，x_n1、x_n2分别为两齿轮的法向变位系数；端面重合度ε_α为：

其中，

式中，α_t——压力角；α_at1、α_at2——齿顶压力角；d_b1、d_b2——两齿轮基圆直径；d_a1、d_a2——两齿轮齿顶圆直径，m_n表示法面模数。

大型风电机组齿轮箱主要采用斜齿轮传动，斜齿轮传动较直齿轮传动增加了纵向重合度，重合度随着螺旋角的增大而增大，纵向重合度的产生降低了每对齿轮的载荷，提高齿轮承载能力，增加齿轮传动平稳性。纵向重合度ε_β与螺旋角β的关系式如下所示：

式中，b——轮齿宽度；m_n——法面模数。

综上可知，重合度与螺旋角有关，而重合度也与啮合刚度有关，因此螺旋角对啮合刚度的影响很大，随着斜齿轮螺旋角增大，齿轮及轴承承受的轴向载荷会增大，斜齿轮在运转时会产生轴向推力，轴向推力F_α与螺旋角的关系式为：F_α＝F_ttanβ，其中，F_t——轴向切向力。

由此可知，齿轮箱振动主要来自于齿轮啮合产生的周期性交变轴向推力及径向载荷作用，轴向振动及径向振动相互耦合，即斜齿轮啮合时会产生轴向推力造成齿轮振动，所以引入振动位移作为评估标准之一，选取输入轴轴向振动位移、径向振动速度，输出轴轴向振动速度、径向振动加速度作为减振设计的振动标准参照点，在内部激励及外部激励作用下，分析不同设计齿轮箱在额定运行时对应的振动状态，建立新型大型齿轮箱的振动性能评估标准，用于验证优化减振效果。

本实施例提出的减振优化方法针对非故障齿轮箱，即齿轮箱各部件之间动态特性耦合正常，低速输入轴与高速输出轴振动状态能反应齿轮箱整体振动状态，齿轮箱平稳健康状态与振动参数值之间呈负线性关系，即认为振动参数值越大，齿轮箱振动损伤会线性增长。本实施例的齿轮箱减振优化设计方法过程包括获取优化设计方案下的齿轮箱振动信号，将振动信号转化为健康状态值，再计算齿轮箱的整体健康值，以此来评估齿轮箱的振动性能。

首先建立齿轮箱振动健康状态与振动信号转化，如图2所示。

振动位移许可阈值为45um；振动速度许可阈值为3.5mm/s；振动加速度许可阈值为7.5m/s²，在振动许可范围内，振动信号值与健康状态值成负线性关系，三种评估参数值若超出许可值，则健康状态值为0，且对应方案不考虑作为设计方案。各振动标准的最佳健康状态值为5。振动信号值与健康状态值之间的转化关系为：

A＝5-Dis/9

B＝5-10Vel/7

C＝5-2Acc/3

其中，A、B、C分别表征振动位移健康状态值、振动速度健康状态值、振动加速度健康状态值，取消量纲；Dis表示振动位移峰峰值，单位：μm；Vel表示振动速度有效值，单位：mm/s；Acc表示振动加速度峰值，单位：m/s²。

定义整体振动健康状态Ω，为无量纲变量，其表达式如下：

Ω＝K₁A_Z1+K₂(B_X1+B_Y1)/2+K₃B_Z2+K₄(C_X2+C_Y2)/2

其中，A_Z1为低速输入轴轴向振动位移健康值；B_X1、B_Y1分别为低速输入轴X、Y方向振动速度健康值；B_Z2为高速输出轴轴向振动速度健康值；C_X2、C_Y2分别为高速输出轴X、Y方向振动加速度健康值；K₁、K₂、K₃、K₄为对不同振动信号的限制程度参数。本实施例因不考虑各振动参数的影响差异，认为各振动参数对齿轮箱振动具有同级别影响效力，即振动位移、振动速度、振动加速度增长造成齿轮箱损伤可线性叠加，所以K_i(i＝1,2,3,4)取值均为1，Ω值越大，表明齿轮箱运行越平稳，其取值范围为[0,20]。

以一组高速平行轴齿轮为例，选取0°，5°，10°，15°，20°螺旋角，分析螺旋角对齿轮的振动特性影响(对行星级齿轮具有类似效果)。齿轮时变啮合刚度是描述齿轮振动特性的基本参数。啮合刚度变化平稳，则齿轮承受载荷较小，疲劳寿命更长。啮合刚度与重合度有关，由螺旋角与重合度关系式可知，螺旋角对啮合刚度影响很大，不同螺旋角对应的齿轮啮合刚度如图3所示。不同螺旋角下，一组平行轴齿轮轴与轴承的轴向振动情况如图4所示。图4的(a)部分为振动位移与螺旋角之间的关系图，图4的(b)部分为轴向振动速度与螺旋角之间的关系图；由图4的(a)部分可知，轴向位移与螺旋角之间近似呈正比例关系，这是由于轴向推力增大造成的，为减小轴承轴向位移偏差，所以螺旋角不宜过大；低螺旋角及高螺旋角下，振动位移、振动速度值都比较大；低螺旋角下，端面重合度较小是造成轴向振动增加的主要原因；但随着螺旋角增大，端面重合度增大，但此时轴向载荷也增大，振动信号增强，轴向推力增大是造成轴向振动的主要原因；在上述5组螺旋角下，10°螺旋角对应轴承振动最小，综合轴向振动位移图4的(a)部分及振动速度图4的(b)部分情况可知，对大型风电机组齿轮箱而言，斜齿轮螺旋角取5～15°之间可以有效减轻径向振动载荷轴向振动相对较小。

步骤5、正交试验法是一种用“正交表”来安排和分析多因素饰演的数理统计方法，依据Galois理论从全面试验中挑选出部分具有代表性的水平组合进行试验，并对结果进行分析从而找出最优的水平组合，其优点是试验次数少、效率高，适合多因素多水平优选问题。由上述分析可知，齿轮螺旋角在5～15°之间能有效减轻轴向及径向载荷，若想要通过遍历分析来获得多级齿轮箱的最佳螺旋角设计，计算周期太长，因此拟采用正交试验法与遍历法相结合的仿真方法，用正交试验法初步遴选出较优的螺旋角设计方案，对优化结果进行线性细分并遍历分析，最终得到最佳的螺旋角设计方案是本实施例的核心思想。采用该方法是可以节省时间、高效率地选出合适螺旋角。建立齿轮箱的多级螺旋角正交试验方案，以齿轮箱n级螺旋角β₁、β₂…β_n为自变量因素，以1°为精度等级，每个因素选取X个水平，建立对应的n因素X水平正交实验方案，建立对应的L_k(Xⁿ)正交表，用正交实验法初步遴选出较优的螺旋角设计方案。例如：以一级螺旋角β₁、二级螺旋角β₂、三级螺旋角β₃三个因素，分别设计四个水平(即5°、8°、11°和15°)，建立对应的3因素4水平的正交试验方案，用正交实验法初步遴选出较优的螺旋角设计方案，正交试验表如表1所示。

表1正交试验表

步骤6、将步骤5中的螺旋角设计方案带入动力学模型中，借助步骤4中的振动健康状态对各级螺旋角进行效应评估。在额定转速条件下，对齿轮箱动态模型进行振动特性分析，以新型定量化振动参数为标准进行齿轮箱多级螺旋角优化，具体步骤如下：

在高速输出轴额定转速下，研究螺旋角变化对风电机组齿轮箱振动特性的影响，依据正交试验表次序对齿轮箱振动特性进行数值模拟(仿真条件一致)。为避免起始时刻转速不平稳带来的振动激励，截取1s以后时间段时域数据进行分析，得到低速输入轴及高速输出轴的相关振动数据；再根据整体振动健康状态Ω计算式，计算得到对应于正交试验数据的振动健康状态结果；以整体振动健康状态Ω为目标，建立各因素对应水平的影响效果，初步选出较优的螺旋角设计方案。最佳的螺旋角设计方案为8和12，对应三级螺旋角分别为8、15、11度和11、15、8度。第一级最佳螺旋角对整体振动健康状态影响不明显，最佳螺旋角为8度；第二级螺旋角对齿轮箱振动健康状态影响较为显著：低螺旋角下，随着螺旋角增大，齿轮箱整体振动明显减弱，当螺旋角增大到一定程度后，振动健康状态差异减小，最佳螺旋角为15度；第三级齿轮箱螺旋角对齿轮箱振动影响很小，最佳螺旋角为11度。结合正交试验水平因子效应分析结果，齿轮箱最佳的螺旋角设计为8、15、11度，这与通过正交试验得到的方案8的结果较为吻合，间接验证了正交试验的有效性。

步骤7、遴选出步骤6中最佳的多级螺旋角设计区间：将对应的螺旋角进行线性细分，将细化的螺旋角与齿轮箱振动健康状态数据进行线性拟合，截取对于振动健康状态影响较强的设计区间，得到当β1＝[β₁₁，β_1P]，β2＝[β₂₁，β_2Q]…βn＝[β_n1,β_nK]时，n表示n级齿轮箱，P、Q、K为各区间中螺旋角个数。齿轮箱振动健康状态更佳，该设计方案共有P*Q*K种，建立对应的遍历法进行振动特性分析，并重复步骤6。例如：由图5可知，当β1＝8°，β2＝12、13、14°，β3＝11、12、13°时，齿轮箱振动健康状态更佳，对应上述螺旋角的齿轮箱设计方案共9种，对齿轮箱进行振动特性仿真，得到最佳的三级螺旋角设计方案为8、13、11°，此时齿轮箱整体振动健康评估值最大，即齿轮箱整体振动最小。为验证该优化模型的有效性，将其振动状态数值结果与某在运行大型风电机组齿轮箱振动状态作对比，该齿轮箱三级螺旋角分别为5、8.5、9°，图6的(a)部分为优化前后低速轴轴向振动位移图，图6的(b)部分为优化前后低速轴X方向振动速度图，图6的(c)部分为优化前后低速轴Y方向振动速度图，图6的(d)部分为优化前后高速轴轴向振动速度图，图6的(e)部分为优化前后高速轴X方向振动加速度图，图6的(f)部分为优化前后高速轴Y方向振动加速度图，振动特性对比结果如图6所示，优化后的不同频域段轴承处振动位移、振动速度、振动加速度等振动参数波动范围明显减小，齿轮箱传动更加平稳。

步骤8、得到步骤7中齿轮箱Ω最大的结果方案，此时β＝β₀+β'，重合度为ε＝ε'_α+ε'_β，其中，ε'_α——最佳螺旋角下的端面重合度，ε'_β——最佳螺旋角下的纵向重合度，由此可知，通过在最佳区间选择最佳螺旋角，能够改变重合度大小，增加齿轮的啮合刚度，进一步改善齿轮啮合力，使得整体振动最小。

本实施例提供了一种与上述方法对应的风电机组齿轮箱螺旋角优化系统，所述系统包括：

正交试验建立模块，用于以螺旋角的级数作为因素，以每级的螺旋角对应的螺旋角值作为水平建立正交试验，得到多个正交试验方案。

方案健康状态确定模块，用于将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的整体振动健康状态。

因素健康状态确定模块，用于根据所有所述正交试验方案的整体振动健康状态得到各因素在各水平下的振动健康状态。

优选水平集合确定模块，用于根据各因素在各水平下的所述振动健康状态得到各因素对应的优选水平集合。

待选方案确定模块，用于根据各因素对应的优选水平集合得到多个待选方案，一个所述待选方案包括所有因素且一个所述待选方案中的任意一个因素的水平为所述因素对应的优选水平集合中的一个水平。

待选方案健康状态确定模块，用于将各所述待选方案分别输入所述齿轮箱多体动力学方程得到每个所述待选方案的整体振动健康状态。

螺旋角方案确定模块，用于确定最大的振动健康状态对应的待选方案为最终的螺旋角方案。

作为一种可选的实施方式，所述方案健康状态确定模块，具体包括：

振动参数确定单元，用于将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的振动参数健康值；所述振动参数健康值包括振动位移健康状态值、振动速度健康状态值和振动加速度健康状态值。

方案健康状态确定单元，用于根据每个所述正交试验方案的振动参数健康值得到对应的所述正交试验方案的整体振动健康状态。

作为一种可选的实施方式，所述振动参数确定单元，具体包括：

输入子单元；对于任意一个正交试验方案，将所述正交试验方案输入齿轮箱多体动力学方程得到所述方案对应的振动位移峰峰值、振动速度有效值和振动加速度峰值。

振动位移确定子单元，用于根据振动位移峰峰值得到振动位移健康状态值。

振动速度确定子单元，用于根据振动速度有效值得到振动速度健康状态值。

振动加速度确定子单元，用于根据振动加速度峰值得到振动加速度健康状态值。

作为一种可选的实施方式，所述优选水平集合确定模块，具体包括：

绘图单元，用于对于任意一个因素，根据所述因素在各水平下的所述振动健康状态绘制水平-健康状态曲线图。

优选水平集合确定单元，用于根据所述水平-健康状态曲线图和设定阈值确定所述因素对应的优选水平集合。

作为一种可选的实施方式，所述方案健康状态确定单元，具体包括：

位移健康值确定子单元，用于对于任意一个正交试验方案，根据所述正交实验方案的振动位移得到齿轮箱的低速输入轴轴向振动位移健康值。

速度健康值确定子单元，用于根据所述正交实验方案的振动速度得到所述齿轮箱的低速输入轴X方向振动速度健康值和低速输入轴Y方向振动速度健康值。

加速度健康值确定子单元，用于根据所述正交试验方案的振动加速度得到所述齿轮箱的高速输出轴X方向振动加速度健康值和高速输出轴Y方向振动加速度健康值。

振动健康状态确定子单元，用于根据所述低速输入轴轴向振动位移健康值、所述低速输入轴X方向振动速度健康值、所述低速输入轴Y方向振动速度健康值、所述高速输出轴X方向振动加速度健康值和所述高速输出轴Y方向振动加速度健康值得到所述正交试验方案的整体振动健康状态。

本发明有以下技术效果：

以正交试验和遍历法结合的方法对螺旋角进行优化设计，基于最新国际标准将振动位移引入到振动评估标准中，提出适用于大型风电机组齿轮箱的新型振动评估量化标准，并依据该振动评估标准初步筛选出额定工况下较优的螺旋角设计方案，将对应的螺旋角范围线性细分，建立其精细化遍历分析方案，该方法实现了齿轮箱整体载荷下降，对齿轮箱减振具有重要意义，并且采用正交试验的方式节省时间、高效率地选出合适螺旋角。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种风电机组齿轮箱螺旋角优化方法，其特征在于，包括：

以螺旋角的级数作为因素，以每级的螺旋角对应的螺旋角值作为水平建立正交试验，得到多个正交试验方案；

将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的整体振动健康状态；

根据所有所述正交试验方案的整体振动健康状态得到各因素在各水平下的振动健康状态；

根据各因素在各水平下的所述振动健康状态得到各因素对应的优选水平集合；

根据各因素对应的优选水平集合得到多个待选方案，一个所述待选方案包括所有因素且一个所述待选方案中的任意一个因素的水平为所述因素对应的优选水平集合中的一个水平；

将各所述待选方案分别输入所述齿轮箱多体动力学方程得到每个所述待选方案的整体振动健康状态；

确定最大的振动健康状态对应的待选方案为最终的螺旋角方案；

所述将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的整体振动健康状态，具体包括：

将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的振动参数健康值；所述振动参数健康值包括振动位移健康状态值、振动速度健康状态值和振动加速度健康状态值；

根据每个所述正交试验方案的振动参数健康值得到对应的所述正交试验方案的整体振动健康状态；

所述根据每个所述正交试验方案的振动参数健康值得到对应的所述正交试验方案的整体振动健康状态，具体包括：

对于任意一个正交试验方案，根据所述正交试验方案的振动位移得到齿轮箱的低速输入轴轴向振动位移健康值；

根据所述正交试验方案的振动速度得到所述齿轮箱的低速输入轴X方向振动速度健康值和低速输入轴Y方向振动速度健康值；

根据所述正交试验方案的振动加速度得到所述齿轮箱的高速输出轴X方向振动加速度健康值和高速输出轴Y方向振动加速度健康值；

根据所述低速输入轴轴向振动位移健康值、所述低速输入轴X方向振动速度健康值、所述低速输入轴Y方向振动速度健康值、所述高速输出轴X方向振动加速度健康值和所述高速输出轴Y方向振动加速度健康值得到所述正交试验方案的整体振动健康状态。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组齿轮箱螺旋角优化方法，其特征在于，所述将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的振动参数健康值，具体包括：

对于任意一个正交试验方案，将所述正交试验方案输入齿轮箱多体动力学方程得到所述方案对应的振动位移峰峰值、振动速度有效值和振动加速度峰值；

根据振动位移峰峰值得到振动位移健康状态值；

根据振动速度有效值得到振动速度健康状态值；

根据振动加速度峰值得到振动加速度健康状态值。

3.根据权利要求1所述的一种风电机组齿轮箱螺旋角优化方法，其特征在于，所述根据各因素在各水平下的所述振动健康状态得到各因素对应的优选水平集合，具体包括：

对于任意一个因素，根据所述因素在各水平下的所述振动健康状态绘制水平-健康状态曲线图；

根据所述水平-健康状态曲线图和设定阈值确定所述因素对应的优选水平集合。

4.一种风电机组齿轮箱螺旋角优化系统，其特征在于，包括：

正交试验建立模块，用于以螺旋角的级数作为因素，以每级的螺旋角对应的螺旋角值作为水平建立正交试验，得到多个正交试验方案；

方案健康状态确定模块，用于将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的整体振动健康状态；

因素健康状态确定模块，用于根据所有所述正交试验方案的整体振动健康状态得到各因素在各水平下的振动健康状态；

优选水平集合确定模块，用于根据各因素在各水平下的所述振动健康状态得到各因素对应的优选水平集合；

待选方案确定模块，用于根据各因素对应的优选水平集合得到多个待选方案，一个所述待选方案包括所有因素且一个所述待选方案中的任意一个因素的水平为所述因素对应的优选水平集合中的一个水平；

待选方案健康状态确定模块，用于将各所述待选方案分别输入所述齿轮箱多体动力学方程得到每个所述待选方案的整体振动健康状态；

螺旋角方案确定模块，用于确定最大的振动健康状态对应的待选方案为最终的螺旋角方案；

所述方案健康状态确定模块，具体包括：

振动参数确定单元，用于将所有所述正交试验方案分别输入齿轮箱多体动力学方程得到每个所述正交试验方案的振动参数健康值；所述振动参数健康值包括振动位移健康状态值、振动速度健康状态值和振动加速度健康状态值；

方案健康状态确定单元，用于根据每个所述正交试验方案的振动参数健康值得到对应的所述正交试验方案的整体振动健康状态；

所述方案健康状态确定单元，具体包括：

位移健康值确定子单元，用于对于任意一个正交试验方案，根据所述正交试验方案的振动位移得到齿轮箱的低速输入轴轴向振动位移健康值；

速度健康值确定子单元，用于根据所述正交试验方案的振动速度得到所述齿轮箱的低速输入轴X方向振动速度健康值和低速输入轴Y方向振动速度健康值；

加速度健康值确定子单元，用于根据所述正交试验方案的振动加速度得到所述齿轮箱的高速输出轴X方向振动加速度健康值和高速输出轴Y方向振动加速度健康值；

振动健康状态确定子单元，用于根据所述低速输入轴轴向振动位移健康值、所述低速输入轴X方向振动速度健康值、所述低速输入轴Y方向振动速度健康值、所述高速输出轴X方向振动加速度健康值和所述高速输出轴Y方向振动加速度健康值得到所述正交试验方案的整体振动健康状态。

5.根据权利要求4所述的一种风电机组齿轮箱螺旋角优化系统，其特征在于，所述振动参数确定单元，具体包括：

输入子单元；对于任意一个正交试验方案，将所述正交试验方案输入齿轮箱多体动力学方程得到所述方案对应的振动位移峰峰值、振动速度有效值和振动加速度峰值；

振动位移确定子单元，用于根据振动位移峰峰值得到振动位移健康状态值；

振动速度确定子单元，用于根据振动速度有效值得到振动速度健康状态值；

振动加速度确定子单元，用于根据振动加速度峰值得到振动加速度健康状态值。

6.根据权利要求4所述的一种风电机组齿轮箱螺旋角优化系统，其特征在于，所述优选水平集合确定模块，具体包括：

绘图单元，用于对于任意一个因素，根据所述因素在各水平下的所述振动健康状态绘制水平-健康状态曲线图；

优选水平集合确定单元，用于根据所述水平-健康状态曲线图和设定阈值确定所述因素对应的优选水平集合。

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