風(fēng)力齒輪箱優(yōu)化設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘要能源是人類社會千百年來發(fā)展的基礎(chǔ)，在物質(zhì)生活不斷豐富精神生活不斷飽滿的今天，能源危機正漸漸成為阻礙人類進步的一大難題。人們需要更多的新型能源來支撐人類的發(fā)展，而風(fēng)能作為典型的清潔能源，在減少溫室氣體排放、減輕環(huán)境污染等方面有著很突出的作用，已被全世界各國的人民認知與接受，正慢慢成為一種不可或缺的資源。 通過使用全方面的工程手段，例如通過使用風(fēng)力機，通過把風(fēng)所產(chǎn)生的動能有效地轉(zhuǎn)換為可利用的產(chǎn)業(yè)能源。其中，齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機中一個關(guān)鍵的機件，在其運行過程中扮演著不可或缺的角色。但目前我國的風(fēng)力發(fā)電機組大多數(shù)依賴進口，這意味著其成本之高昂，且發(fā)電機組本身存在著難以維修

2、的問題，一旦出現(xiàn)故障就意味著將損耗大量財力去解決問題。這些難題都制約著我國風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展與進步。因此，齒輪箱的國產(chǎn)化與優(yōu)化就成了迫在眉睫的一大問題。 通過對齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計不僅能滿足其設(shè)計要求，而且在這基礎(chǔ)上使得齒輪箱的體積、質(zhì)量都得到縮減，從而得以降低其生產(chǎn)成本。這一設(shè)計必定將在風(fēng)電領(lǐng)域擁有廣闊的市場。關(guān)鍵詞：風(fēng)力齒輪箱 優(yōu)化設(shè)計 MATLABAbstractEnergy is the basis for the development of human society for thousands of years, in the material life continue to enri

3、ch the spiritual life is constantly full today, the energy crisis is gradually becoming a major obstacle to human progress. People need more new energy to support the development of mankind, and wind energy as a typical clean energy, in reducing greenhouse gas emissions, reduce environmental polluti

4、on has a very prominent role, has been the people around the world awareness and acceptance, Is slowly becoming an indispensable resource.  Wind energy through the use of comprehensive engineering technology, the use of wind turbines will be the wind kinetic energy into mechanical energy,

5、electricity and heat and so on. Among them, the gear box as a wind turbine in an important mechanical parts, in the wind turbine play an indispensable role. However, most of China's wind turbines rely on imports, which means that the cost of high, and the generator itself is difficult to repair

6、the problem, once the failure means that will lose a lot of money to solve the problem. These problems are restricting the development of China's wind power technology and progress. Therefore, the localization and optimization of the gearbox has become a big problem of imminent.  The o

7、ptimal design of the gearbox not only meets its design requirements, but also reduces the volume and quality of the gearbox to reduce its production costs. This design will certainly have a broad market in the field of wind power.Keywords: wind gear box Optimized design Matlab目錄摘要 Abstract. 第一章 緒論.

8、11.1研究背景與意義.11.2對風(fēng)能的研究與發(fā)展現(xiàn)狀1.3風(fēng)力發(fā)電機的原理1.4風(fēng)電齒輪箱的工作原理1.5風(fēng)電齒輪箱的優(yōu)化方法1.6行星齒輪傳動的特點1.7論文研究的主要內(nèi)容第二章 傳動方案選型2.1已知條件2.2產(chǎn)品特點與傳動示意圖2.3將已知條件進行推算第三章 傳動比的優(yōu)化設(shè)計3.1建立目標(biāo)函數(shù)3.2建立約束條件3.3建立齒輪箱數(shù)學(xué)模型第四章 使用MATLAB處理數(shù)據(jù)求最優(yōu)值4.1 MATLAB軟件介紹4.2建立目標(biāo)函數(shù)M文件4.3建立約束函數(shù)的M文件4.4求解4.5驗算4.6優(yōu)化結(jié)果與原設(shè)計的對比第五章 總結(jié)與思考第六章 致謝參考文獻第1章 緒論1.1 研究背景與意義圖（1）傳統(tǒng)的火力

9、發(fā)電當(dāng)今社會，隨著科技的發(fā)展，人們的生活變得越來越豐富多彩，科技的進步推動著人類文明的前進。但很多問題也同時出現(xiàn)在大眾的視野中，大家越來越關(guān)注這些污染問題、能源減少等等問題?？梢灶A(yù)見的是，人類對于能源的需求只會越來越大，這也就意味著能源問題與社會進步之間的矛盾將越來越尖銳。人們所使用的傳統(tǒng)發(fā)電方式，例如火力發(fā)電，如圖（1）所示，其對環(huán)境的污染與破壞極大，且火力發(fā)電所需要的煤和石油等資源都屬于不可再生能源，總有一天會在這個星球上枯竭。因為如此，所以更要加快企業(yè)的升級，完成傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向新興產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)化，更加有計劃的對能源的使用，提高對傳統(tǒng)能源的保護，加強大眾對此進行保護的觀念，加快完成能源的重復(fù)利用。

10、作為大學(xué)生的我們更要帶頭加強對資源保護的意識。1980年，聯(lián)合國召開的“聯(lián)合國新能源和可再生能源會議”上將新能源定義為“以新技術(shù)和新材料為基礎(chǔ)，使傳統(tǒng)的可再生能源得到現(xiàn)代化的開發(fā)和利用，用取之不盡用之不竭的可再生能源取代資源有限、對環(huán)境有污染的化石能源” 混合酶強化剩余污泥微生物燃料電池產(chǎn)電性能和污泥 減量化的研究張植平 - 中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文 數(shù)據(jù)庫- 2014 新能源及其在建筑照明上的應(yīng)用 高飛 祝昌漢 林若慈 -照明工程學(xué)報 2010tai。新能源顧名思義即區(qū)別于傳統(tǒng)能源的、對環(huán)境污染小、開發(fā)難度大、使用效率高的能源，新能源現(xiàn)在已經(jīng)被大眾所接受，并逐漸占據(jù)能源市場，風(fēng)能就是其中的寵

11、兒，受到科學(xué)家們的重視，風(fēng)能已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡哪茉?。由于地球表層受熱程度不均，?dǎo)致氣流受壓不同，相互作用，從而產(chǎn)生了廣為人知的綠色環(huán)保新能源風(fēng)能。風(fēng)能作為一種綠色環(huán)保新能源，其儲備量十分充裕且廣泛地分布在世界各地。一年中可開發(fā)的能源量約為5.3×1013千瓦時。據(jù)世界氣象組織和中國氣象局氣象科學(xué)研究院分析表明，地球上可利用的風(fēng)能資源為200億kW 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組最大功率跟蹤思勤 - 中國優(yōu) 秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫- 2013。此外，與傳統(tǒng)的火電和核電相比，風(fēng)力發(fā)電還具備減輕有毒有害物質(zhì)排放和零輻射的優(yōu)點。因此，風(fēng)力發(fā)電已被世界各國所重視并開發(fā)利用。合理的使用風(fēng)能資

12、源，既能夠有效改善當(dāng)今世界所面臨的嚴(yán)重的污染現(xiàn)狀，還減輕了人類對于不可再生資源的依賴。 綜上所述，無論是從資源問題方面還是從環(huán)境問題方面，我們都應(yīng)該大力發(fā)展風(fēng)能這一新型能源。風(fēng)力發(fā)電占據(jù)著風(fēng)能市場的重要地位，把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，合理地利用自然資源無污染的情人類傳輸不可或缺的電力，我們的生活已經(jīng)離不開風(fēng)力發(fā)電，它也必將在世界的舞臺上扮演著重要的角色。1.2 對風(fēng)能的研究與發(fā)展現(xiàn)狀 關(guān)于風(fēng)能的研究與運用可謂是歷史悠久，最早可追溯到公元前。其中四大文明古國便是參與了世界上最早關(guān)于風(fēng)能研究的國家。14 世紀(jì)風(fēng)車在歐洲興起成為公元前2世紀(jì)，古波斯人利用垂直風(fēng)車碾米，10世紀(jì)時伊斯蘭人利用風(fēng)車提水 高功率風(fēng)

13、力機葉型數(shù)值模擬及實驗研究賴巍 - 中 國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫- 2011。13世紀(jì)時期風(fēng)車流傳進入歐洲，到14世紀(jì)時已經(jīng)成為不可或缺的原動機 基于摩擦風(fēng)力機葉輪轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的研究朱國權(quán) 中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫- 2013。在荷蘭風(fēng)車的應(yīng)用廣泛，直至蒸汽機的出現(xiàn)才使風(fēng)車數(shù)量急劇下降。 關(guān)于風(fēng)能的技術(shù)研究起源遠遠早于其他環(huán)保能源的研究，但不得不承認其發(fā)展進度十分之慢，且風(fēng)能研究滯后歷史進程這一問題被歷代人所忽視。， 1973年，全球性的石油危機爆發(fā)，面對舊能源導(dǎo)致的世界范圍內(nèi)的污染問題和資源供不需求的挑戰(zhàn)，風(fēng)能再次進入大眾視野，重新登上能源的歷史舞臺，有效的應(yīng)對當(dāng)時所面臨的困難。美

14、國在1974年開始實行聯(lián)邦風(fēng)能計劃，并于80年代開發(fā)了100、200、2000、2500、6200、7200kW圖（2）風(fēng)力發(fā)電這六種類型的風(fēng)力機組。當(dāng)前，美國已經(jīng)擁有了全球范圍內(nèi)最大的風(fēng)力機裝機容量數(shù)量最多的國家，數(shù)據(jù)表明其擁有量已經(jīng)超過2×104MW,并且仍在以百分之十的增速穩(wěn)定上升。自上世紀(jì)八十年代初，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐步成熟，在多國科研人員的共同努力下，不斷完善，并投入到資本市場中。主要的機組容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。為了迎合市場需求，在政策、科研與資本的推動下，新世紀(jì)初始，全球風(fēng)力機總量成功突破兩萬MW?？梢婏L(fēng)能已經(jīng)成為今后能源開發(fā)與

15、使用的風(fēng)向標(biāo)，也勢必成為今后市場必不可缺的新能源。 我國也十分重視風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，截止2003年末，已在全國14個省市建立了40余個風(fēng)電場，同時總裝機容量高達56.8千瓦。研究表明，我國的發(fā)電裝機總量于2003年三千多億千瓦將會發(fā)展至2020年達到總量超過九千多億千瓦。從我國能源規(guī)劃藍圖中可得，我國的風(fēng)能資源十分充裕，并且在我國資本市場中有著非常光明、穩(wěn)定的發(fā)展趨勢。1.3 風(fēng)力發(fā)電機的原理發(fā)動機的核心部分、零件以及電動零部件組成了我們所熟知的風(fēng)電發(fā)動機。風(fēng)電發(fā)動機最主要的能量轉(zhuǎn)化就是：風(fēng)能機械能電能，其中發(fā)動機核心部分以及零件完成了第一步的轉(zhuǎn)換，電力裝置完成了下一步的能量轉(zhuǎn)化，其實這個過程很簡

16、單，但是風(fēng)力發(fā)電機的前期準(zhǔn)備卻是很復(fù)雜的，需要大量的工程方面的測試與研究，這其中包含了很多科學(xué)家的心血。風(fēng)電發(fā)動機最主要的能量轉(zhuǎn)化就是：風(fēng)能機械能電能。這個過程便是風(fēng)電發(fā)動機最奇妙的地方，也是最核心的工作方式與原理。1.4 風(fēng)電齒輪箱的工作原理風(fēng)電齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電的核心裝置，其要求嚴(yán)格，必須安全合格且經(jīng)久耐用，一般來說需要達到15年以上的使用壽命。在風(fēng)的作用下，葉輪開始轉(zhuǎn)動，行星架也隨之工作起來，行星輪與太陽輪的齒輪開始轉(zhuǎn)動，并完成相互之間的配合。通過傳動比把太陽輪的速度放大，完成加速的環(huán)節(jié)來提高能量轉(zhuǎn)化中的機械能的提高，來提升發(fā)電的效率，以此保證利用率。然后通過復(fù)雜的系統(tǒng)將速度進一步放大，以

17、此來完成發(fā)動機運轉(zhuǎn)，完成能量的傳遞。風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱結(jié)構(gòu)簡圖如圖（3）所示。圖（3）風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱結(jié)構(gòu)簡圖1.5 風(fēng)電齒輪箱的優(yōu)化方法一般情況下，齒輪箱的優(yōu)化方法分為兩種。其一為解析法，其二則是將優(yōu)化方法與有限元分析和計算機輔助設(shè)計的組合。第一種方法是通過人為對模型進行分析并建模列出符合要求的參數(shù)方程，且通過一系列約束條件對數(shù)據(jù)進行分析，最終得出較優(yōu)的優(yōu)化結(jié)果。常用的方法有基因遺傳算法、懲罰函數(shù)法等。第二種優(yōu)化方法則是將優(yōu)化方法與有限元分析和計算機輔助設(shè)計相結(jié)合。即通過某種特定的計算機軟件對某實體零件進行分析與計算，這種方法相比較第一種可以省去大量的時間與精力，并且通過計算機進行計算后得到的

18、結(jié)果更加精確。目前，這種優(yōu)化方法已經(jīng)得到了廣泛的接受與認可，并普遍應(yīng)用于各類優(yōu)化計算中。1.6 行星齒輪傳動的特點絕大多數(shù)情況下，人們所說的齒輪指的是轉(zhuǎn)動軸線固定的齒輪，這些齒輪的轉(zhuǎn)動軸相對于機殼固定，因此被稱作“定軸齒輪”。而行星齒輪，其轉(zhuǎn)動軸線是不固定的。行星齒輪除了可以圍繞自己的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動（自轉(zhuǎn)）外，其轉(zhuǎn)動軸還隨著行星架繞其他齒輪的軸線轉(zhuǎn)動（公轉(zhuǎn)）。這類齒輪的轉(zhuǎn)動就像太陽系中各行星轉(zhuǎn)動一樣，因此被稱作行星齒輪。圖（4）行星齒輪構(gòu)造示意圖圖（5）行星齒輪傳動行星齒輪的特點類型行星齒輪與其它一般齒輪相比，其主要特別很明顯。行星齒輪體積小，質(zhì)量也更小，結(jié)構(gòu)更加緊湊；承載能力大，工作更加平穩(wěn)；傳

19、動效率高，傳動比更大。因此行星齒輪已被靈活運用于各類行業(yè)中去，行星齒輪傳動技術(shù)也成為各國的機械研究重點。行星齒輪也存在一些弊端，比方說它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工生產(chǎn)中需要投入更多的人力物力，在安裝過程中也相較普通齒輪來的復(fù)雜。因此，在設(shè)計行星齒輪傳動裝置時，應(yīng)充分做到揚長避短，盡可能多的利用其優(yōu)勢，并努力規(guī)避其劣勢。1.7 論文研究的主要內(nèi)容 本文題為風(fēng)力齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計，旨在保證風(fēng)力齒輪箱正常運轉(zhuǎn)工作的情況下，對其傳動齒輪箱進行傳動比優(yōu)化分配和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。風(fēng)力齒輪箱要求體積小、重量輕。本次優(yōu)化設(shè)計選擇通過行星傳動來達到其在體積小重量輕的前提下仍舊可以提供高傳動比的目標(biāo)，在保證其使用壽命和零件強度

20、的情況下，要求其重量最輕，體積最小。1.8 本章小結(jié)在這一章中我們探討了這篇論文的研究背景與其意義價值。通過幾個小的章節(jié)段落，首先我們了解了風(fēng)能這一大概念，知曉了風(fēng)能對人類的價值，以及大概了解了國內(nèi)外對于風(fēng)能這一新型能源的研究現(xiàn)狀。從1.3起我們開始對風(fēng)力發(fā)電機進行研究，風(fēng)力發(fā)電機是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)化為電能的主要裝置，首先我們了解了其工作原理，其次通過幾個小章節(jié)對里面的主體內(nèi)容風(fēng)力齒輪箱進行研究。大概了解其工作原理后進一步尋求對其的優(yōu)化方法。第2章 傳動方案選型2.1 已知條件 本文選擇南京高精齒輪股份有限公司所生產(chǎn)的型號FD2750兆瓦級風(fēng)力發(fā)電齒輪箱為研究對象。FD2750采用一級行星+兩級平

21、行軸的傳動方式，額定功率2750kW，增速比100，輸入轉(zhuǎn)速15r/min，重量24000kg，要求使用壽命20年。圖（6）FD27502.2 產(chǎn)品特點與傳動示意圖1采用多級行星結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強；2齒輪齒軸采用優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼，滲碳淬火后磨齒，精度5級（ISO1328）；內(nèi)齒圈采用優(yōu)質(zhì)中碳合金鋼，調(diào)質(zhì)，齒面感應(yīng)淬火后磨齒，精度6級（ISO1328）。3采用齒輪修形技術(shù)，降低載荷不均性，減小振動和噪音；4合理配制軸承，既保證軸承壽命又能達到齒輪均載的目的。5扭力臂、行星架、箱體等主要零部件采用有限元分析，在確保箱體的強度和剛度下優(yōu)化結(jié)構(gòu)。箱體采用高韌性球鐵材料，具有良好的低溫沖擊韌性和高

22、強度，能在低溫下正常工作。6根據(jù)機艙空間布置及用戶要求，合理選用行星級和平行級，在滿足傳動要求情況，盡量減小齒輪箱軸向距離，減輕齒輪箱整體重量。7采用獨特的潤滑與密封方式，保證可靠潤滑并杜絕漏油。 FD2750的傳動示意圖如圖（7）所示圖（7）FD2750傳動示意圖2.3將已知條件進行推算已知i=nin0=1100，ni=15，則n0=1500r/min，輸入轉(zhuǎn)矩Ti=9549Pni=9549×2.75×10³15=1751kNm，最小中心輪a的齒數(shù) Za=Knp，其中k可取4，5，6，7，np為行星輪的個數(shù)，np=3,國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)齒輪不發(fā)生根切的最少齒

23、數(shù)m=17,即Za17，這里選用Za=7=21，Zf=30。2.4 本章小結(jié) 第二章的主要內(nèi)容一目了然，首先我們選取了南高齒生產(chǎn)的型號為FD2750的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱作為研究目標(biāo)。通過官網(wǎng)等渠道我了解到其重量、輸入轉(zhuǎn)速、增速比、使用壽命等相關(guān)數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)作為本次優(yōu)化設(shè)計的已知條件。我還從官網(wǎng)上了解到FD2750這一型號的設(shè)備所擁有的競爭優(yōu)勢以及產(chǎn)品特點，并找到了其相關(guān)的傳動示意圖。并且通過已知的條件進行簡單的運算，計算出它的輸入扭矩、輸出轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，并且確定了其行星輪的個數(shù)。為后面章節(jié)中對該設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計打下了基礎(chǔ)。第3章 傳動比的優(yōu)化設(shè)計3.1 建立目標(biāo)函數(shù) 本文設(shè)計要求在保證齒輪箱使

24、用壽命和產(chǎn)品強度的前提下，使風(fēng)力發(fā)電機增速傳動齒輪箱重量體積最小。齒輪箱的總體積大小與齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、行星輪個數(shù)有關(guān)，因此我們有下列表達式：V=（da2+dc2）4ba-c+（dd2+db2）4bb-d+de24be+df24bf式中，da，db，dc，dd，de，df，表示a,b,c,d,e,f齒輪的分度圓直徑；ba-c，bb-d，be，bf，表示齒輪ac,bd,e,f的齒寬。3.2建立約束條件 約束條件分為兩種，其一是邊界約束，即對變量的變化范圍進行研究，如齒輪箱的最小齒數(shù)，齒輪齒寬等；其二則是性能約束，即考慮目標(biāo)的設(shè)計性能與指標(biāo)，對這兩點進行計算推導(dǎo)得出的一種約束條件，如齒輪的接

25、觸強度與彎曲強度等。3.2.1 齒輪不根切的條件國家標(biāo)準(zhǔn)中齒輪不發(fā)生根切的情況下，齒輪的最少齒數(shù)為17個，可以得出：Zb17，Zc17，Zd17，Ze173.2.2 傳動比約束條件本文選擇的齒輪箱模型，其傳動比范圍是iaHb=7-16，且該設(shè)計的傳動比已知i=100。由傳動比公式可知iaHb=1-iabH=1+ZcZbZaZd，可以得出：71+ZcZbZaZd16令A(yù)=ZcZa，B=ZbZd，1.2ZcZa4.2，2.4ZbZd4.8斜齒輪i2的傳動比為ZeZf則可以得到i=iabHi2=（1+ZcZbZaZd）ZeZf=1003.2.3同心條件 同心條件即要求系桿轉(zhuǎn)軸軸線與太陽輪重合，可得出

26、約束條件為 za+zc=zb-zd3.2.4裝配條件在行星輪系中，應(yīng)該幾個行星輪能對稱裝入并保證與中心輪正確嚙合應(yīng)具備的齒數(shù)關(guān)系。在本文中，我們研究的對象有三個行星輪，則必須滿足以下條件才可以正常安裝：za+zbnp=CC取整數(shù)在本次設(shè)計中，np=3，za=21，則zb只要為3的整數(shù)倍即可達到安裝條件，zb=3C(C取整數(shù))。3.2.5鄰接條件 為了使行星輪之間不相互干涉，要保證在行星輪的齒頂在連心線上保留一定的間隙，換言之，相鄰行星輪的齒頂圓半徑和要小于其中心距。即(za+zc)sinnp>zc+2ha*，式中za=21，np=3，ha*=1，可得出不等式： zc<120.823

27、.2.6模數(shù)約束 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機齒輪傳動特性，我們?nèi)〖s束函數(shù)： 6m20，6mn20 式中m為行星輪a,b,c,d的模數(shù)；mn為e,f的模數(shù)3.2.7齒輪接觸強度條件 在行星輪組中，太陽輪與行星輪的材料為20CrMnTi，表面采用滲碳淬火的處理方法，其齒面強度為58-62HRC。 齒輪齒面接觸疲勞極限Hlim=1400Mpa 齒輪齒面彎曲疲勞極限Flim=340Mpa 行星齒輪的齒面接觸強度為：H=H0KA KV KH KH KHpHp H0=ZHZEZZFtd1b×u±1u Hp=HlimSHlimZNTZLZVZRZWZX計算其名義轉(zhuǎn)矩T1與名義圓周力T1=TaNp=1

28、7513iaHb=17513(1+ZcZbZaZd)KNmFt=2000Tda=2000mza17513(1+ZcZbZaZd)=.3zdm(zazd+zczb)KN計算接觸應(yīng)力H0=ZHZEZZFtd1b×u±1u =.0Zd(Zc+Za)m3Za2Zc(ZaZd+ZcZb)Ha=H0KAKVKHKHKHp1=.0Zd(Zc+Za)m3Za2Zc(ZaZd+ZcZb)×1×1.05×1×1.0×1.05=.6Zd(Zc+Za)m3Za2Zc(ZaZd+ZcZb)計算許用接觸應(yīng)力 則為滿足強度要求，必須滿足.6Zd(Zc+Z

29、a)m3Za2Zc(ZaZd+ZcZb)927.93.2.8齒輪彎曲強度條件 行星齒輪的彎曲強度公式為：齒根應(yīng)力F=F0KAKVKFKFKFp 齒根應(yīng)力的基本值：F0=FtbmnYFaYSaYY 許用齒根應(yīng)力：Fp=FlimYSTYNTSFlimYrelTYRrelTYX 計算齒根應(yīng)力基本值F01=.7Zdm3(ZaZd+ZcZb)MPa齒根應(yīng)力F1=.6Zdm3(ZaZd+ZcZb) 齒根應(yīng)力應(yīng)不大于許用彎曲應(yīng)力，計算出彎曲應(yīng)力大小為267.54MPa,則可以得出約束條件： .7Zdm3(ZaZd+ZcZb)267.54 3.3建立齒輪箱數(shù)學(xué)模型由3.1章節(jié)已知，齒輪箱的體積可由公式V=（d

30、a2+dc2）4ba-c+（dd2+db2）4bb-d+de24be+df24bf 進行計算，且已知Za=21,Zf=30,代入可得公式：V=3435.3m3+10.6m3zc2+0.118m3zd2zb+0.118m3zb3+25.26ze2mn3+23000.6mn3+4002.5mn2 從公式中不難發(fā)現(xiàn)，影響V的變量有m、mn、zb、zc、zd、ze。設(shè)計變量：x=x1,x2,x3,x4,x5,x6T=zb,zc,zd,ze,m,mnT?？蓪⒛繕?biāo)函數(shù)變換為： minf(x)=3435.3x53+10.6x53x22+0.118x53x32x1+0.118x53x13+25.56x42x6

31、3+23000.6x63+4002.5x62。 由之前的計算可知，有約束條件：Zb17，Zc17，Zd17，Ze17、1.2ZcZa4.2，2.4ZbZd4.8、（1+ZcZbZaZd）ZeZf=100、 za+zc=zb-zd、zb=3C(C取整數(shù))、 zc<120.82 6m20，6mn20、.6Zd(Zc+Za)m3Za2Zc(ZaZd+ZcZb)927.9、 .7Zdm3(ZaZd+ZcZb)267.54 化簡后可得條件h1(x)=x430+x2x3x4540x3-100=0h2(x)=x1-x3-x2-21=0x1=3C（C為整數(shù)）g1(x)=21.6-x20g2(x)=x2-

32、75.60g3(x)=2.4x3-x10g4(x)=x1-4.8x30g5(x)=17-x10g6(x)=17-x20g7(x)=17-x30g8(x)=17-x40g9(x)=6-x50g10(x)=x5-200g11(x)=6-x60g12(x)=x6-200g13(x)=.9×x3(x2+18)-x53x2(18x3+x2x1)0g14(x)=40100.1×x2(x1+x3)x53x13(18x3+x1x2)-10g15(x)=160.55×(x4+30)-x53x40g16(x)=.7×x3-x53(x1-x3)(x1-21)0g17(x)=.

33、3x2x53x118x3+x1x2-10g18(x)=74946.06-259.66x630g19(x)=72365.89-265.23x630g20(x)=108x3-x2x10g21(x)=x2x1-270x30傳動齒輪箱的數(shù)學(xué)模型為求設(shè)計變量X，X=x1，x2，x3，x4，x5，x6Tminf(X)s.t.gi(X)0 (i=1,2,21) hj(X)=0 (j=1,2)3.4本章小結(jié) 在這一章中我們開始對所選模型進行優(yōu)化與設(shè)計，本章存在大量的計算。首先根據(jù)齒輪箱里齒輪齒寬、齒數(shù)、模數(shù)、行星輪個數(shù)等條件我們確立了其體積的計算公式。接著通過八個條件，我們確立了與之相關(guān)的八組約束條件，只有都

34、滿足這些約束條件本次的優(yōu)化設(shè)計才會有意義。在確立約束條件后我們將已知條件代入先前得到的齒輪箱體積計算公式中，并結(jié)合一系列的約束條件，得出齒輪箱的數(shù)學(xué)模型。第4章 使用MATLAB處理數(shù)據(jù)求最優(yōu)值4.1MATLAB軟件介紹 MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，是matrix&laboratory的組合，其包括了MATLAB與Simulink兩部分，被廣泛運用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析與計算、數(shù)據(jù)可視化等領(lǐng)域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，包含了控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。MATLAB可用于數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)

35、的設(shè)計和仿真、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真、財務(wù)與金融工程、管理與調(diào)度優(yōu)化計算等領(lǐng)域。其運算方便，為用戶們提供了大量的處理工具。4.2建立目標(biāo)函數(shù)M文件 建立目標(biāo)函數(shù)M文件并保存，文件名為zrh1.m，其內(nèi)容為：function f =zrh1(x) f=3435.3*x(5)3+10.6*x(5)3*x(2)2+0.118*x(5)3*x(3)2*x(1)+0.118*x(5)3*x(1)3+25.56*x(4)2*x(6)3+23000.6*x(6)3+4002.5*x(6)24.3 建立約束函數(shù)的M文件 建立文件名為zrh2.m的約束函數(shù)M文件，內(nèi)容為： fun

36、ctionc,ceq=zrh2(x) g(1)=21.6-x(2); g(2)=x(2)-75.6;g(3)=2.4*x(3)-x(1);g(4)=x(1)-4.8*x(3);g(5)=17-x(1);g(6)=17-x(2);g(7)=17-x(3);g(8)=17-x(4);g(9)=6-x(5);g(10)=x(5)-20;g(11)=6-x(6);g(12)=x(6)-20;g(13)=.3*x(3)*(x(2)+18)-x(5)3*x(2)*(18*x(3)+x(2)*x(1);g(14)=40100.1*(x(2)*(x(1)+x(3)/(x(5)3*x(1)3*(18*x(3)+

37、x(2)*x(1)0.5-1;g(15)=160.55*(x(4)+30)-x(5)3*x(4);g(16)=.7*x(3)-x(5)3*(x(1)-x(3)*(x(1)-18);g(17)=.3*x(2)/(x(5)3*x(1)*(18*x(3)+x(1)*x(2)-1;g(18)=74946.06-259.66*x(6)3;g(19)=72365.89-265.23*x(6)3;g(20)=108*x(3)-x(2)*x(1);g(21)=x(2)*x(1)-270*x(3);c=g(1);g(2);g(3);g(4);g(5);g(6);g(7);g(8);g(9);g(10);g(11

38、);g(12);g(13);g(14);g(15);g(16);g(17);g(18);g(19);g(20);g(21);ceq=x(4)/30+x(2)*x(1)*x(4)/540*x(3)-90;x(1)-x(3)-x(2)-18;4.4求解 解得x=104.73 62.50 24.24 168.75 14.00 7.00 fval=7.7274e+008 通過約束條件x1=3C（C整數(shù)），取x=105，x2取62，x3取25，x4=175。 X=105 62 25 175 14 7 f=7.9389e+0084.5驗算 將求得的數(shù)值代入之前得出的不等式進行運算，其運算結(jié)果如下：g1(x

39、)=-40.40; g2(x)=-13.60;g3(x)=-450;g4(x)=-150;g5(x)=-880;g6(x)=-450;g7(x)=-80;g8(x)=1580;g9(x)=-80;g10(x)=-60;g11(x)=-10;g12(x)=-130;g13(x)=-4.04*1080;g14(x)=-0.230;g15(x)=-4.47*1050;g16(x)=-7.4*1060；g17(x)=-7.25*10-30;g18(x)=-1.41*1040;g19(x)=-186080;g20(x)=-38100;g21(x)=-2400經(jīng)驗算后發(fā)現(xiàn)得出的結(jié)果都滿足之前的約束條件4.

40、6 優(yōu)化結(jié)果與原設(shè)計的對比優(yōu)化項目優(yōu)化前優(yōu)化后Zb102105Zc5662Zd2825Ze219175行星齒輪模數(shù)m1414齒輪箱體積8.677.94通過本次優(yōu)化，我們將齒輪箱的體積從8.67降到了7.94，體積縮小了8.42%，齒輪箱的質(zhì)量也相應(yīng)減少。且從優(yōu)化結(jié)果來看，各約束條件也得到滿足。4.7 本章小結(jié) 本章是此次優(yōu)化設(shè)計的核心章節(jié)，在這一章中我們將前幾章的所學(xué)所識都結(jié)合在一起，將上一章得出的數(shù)學(xué)模型通過MATLAB軟件表達出來，并將先前得出的21個約束條件轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的代碼。通過MATLAB進行求解得出本次優(yōu)化設(shè)計的最優(yōu)值。在得出數(shù)值后我們還需要將數(shù)值代入到先前的約束條件中去，看是否一一

41、滿足這些約束條件。 第5章 總結(jié)與思考本次優(yōu)化設(shè)計選取兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機為研究對象，對其齒輪箱增速箱進行研究。在保證工作強度、使用壽命的前提下，實現(xiàn)了對其體積、質(zhì)量進行了縮減優(yōu)化。本次優(yōu)化設(shè)計做了以下相關(guān)內(nèi)容：（1）根據(jù)已知的傳動比與輸入轉(zhuǎn)速求出其輸出轉(zhuǎn)速，并通過已知的功率求出其轉(zhuǎn)矩。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的工作要求制定了其一級行星+兩級平行軸的工作方式。（2）建立了傳動比優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，通過齒輪不根切條件、傳動比約束條件、裝配條件、模數(shù)約束條件、鄰接條件、同心條件、齒輪接觸強度條件、齒輪彎曲疲勞強度條件等約束條件，建立了風(fēng)力機齒輪箱優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。 （3）通過數(shù)學(xué)模型建立MATLAB目標(biāo)函數(shù)以及約束函

42、數(shù)的文件，利用MATLAB軟件進行運算并求值。在求出數(shù)值后通過約束條件進一步優(yōu)化數(shù)值，得到本次優(yōu)化設(shè)計的最優(yōu)值。 （4）將運算得出的數(shù)值代入各約束條件中，觀察是否符合各約束條件。 （5）通過本次優(yōu)化設(shè)計將齒輪箱的體積縮減了8.42%，其質(zhì)量也相應(yīng)減少。通過驗算發(fā)現(xiàn)各部件的數(shù)值均能滿足其約束條件，并且得到了其工作強度和使用壽命的要求。 以上就是本次優(yōu)化設(shè)計所做的主要工作，由于學(xué)生所掌握的知識有限，加上時間與精力的約束，本次優(yōu)化設(shè)計仍存在諸多不足，有待日后進一步的思考與研究。 第6章 致謝首先，關(guān)于此次畢業(yè)設(shè)計要特別感謝我的導(dǎo)師楊某存老師。從設(shè)計的選題到最后的論文的定稿，都離不開他的耐心的教導(dǎo)、悉

43、心的指導(dǎo)和中肯的建議。選題初期，面對眾多課題茫然過；確定課題之后，面對復(fù)雜的模型設(shè)計、數(shù)據(jù)分析退怯過，面對種種挑戰(zhàn)，楊老師不僅給了我許多建設(shè)性的意見與幫助，還鼓勵我克服設(shè)計中的困難，給予了我莫大的勇氣和信心繼續(xù)完成這個畢業(yè)設(shè)計。同時，楊老師對待學(xué)術(shù)嚴(yán)謹、認真，刻苦鉆研的精神深深的打動了我，也在我畢業(yè)之際教給了我人生重要一課，面對困難要對癥下藥，不能讓畏難情緒打敗自己。同時面對專業(yè)應(yīng)當(dāng)保持科學(xué)認真、端正嚴(yán)肅、一絲不茍的精神，無論是對我今后的學(xué)習(xí)還是工作，生活還是感情都至關(guān)重要。此次畢業(yè)設(shè)計的全過程，讓我一生受益匪淺。其次，我要感謝這四年來，所有任課老師。他們兢兢業(yè)業(yè)，風(fēng)雨無阻培育我，傳授給我專業(yè)知識，打開了新世界的大門。從入學(xué)之初對機械感到乏味，到畢業(yè)之際將機械事業(yè)確立我終生為之奮斗的方向，一切都離不開大學(xué)老師對我的栽培。也正是有了這四年的學(xué)習(xí)與研究，給我打下了扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，才使我能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計，為大學(xué)生活畫下一個圓滿的句號。第三，我要感謝我的舍友、同學(xué)和大學(xué)曾經(jīng)出現(xiàn)在我生活里，給我給予幫助的同輩們。他們參與了我的大學(xué)生活，與我同甘共苦，陪伴我度過了種種艱難的時