一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：設(shè)定優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)；設(shè)定待優(yōu)化的優(yōu)化變量；設(shè)定優(yōu)化的約束條件；通過粒子群兩層優(yōu)化獲得優(yōu)化變量的最優(yōu)解gbest。本發(fā)明使用粒子群兩層優(yōu)化獲得齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化變量，第一層優(yōu)化側(cè)重于滿足所有外齒輪接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差較小的要求，并獲取可行的齒數(shù)方案；第二層優(yōu)化側(cè)重于滿足所有外齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差較小的要求，并得出包括所有設(shè)計(jì)變量在內(nèi)的細(xì)化配置方案。本發(fā)明使得優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在滿足各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)的同時(shí)，各個(gè)外齒輪的壽命差距較小，能夠有效避免齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中常出現(xiàn)的短板效應(yīng)，提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。
【專利說明】一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，尤其是涉及一種基于粒子群優(yōu)化技術(shù)的兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)行星傳動(dòng)齒輪箱的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主齒輪箱是機(jī)組中一個(gè)非常重要的機(jī)械部件，其內(nèi)的傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比大，傳遞功率高。風(fēng)電齒輪箱往往安裝于偏遠(yuǎn)的荒野、高山、海域等地，難以到達(dá)；齒輪箱所在的機(jī)艙空間非常狹小，維修十分不易，而如將齒輪箱從風(fēng)機(jī)上吊裝至地面維修，費(fèi)用難以承受；這就迫使風(fēng)機(jī)齒輪箱比普通齒輪箱有更高的可靠度要求。而風(fēng)機(jī)齒輪箱的損壞約90%是由于某一個(gè)齒輪失效，但其造成的損失卻大大超過該齒輪本身的價(jià)值，這就是風(fēng)電齒輪箱中常出現(xiàn)的短板效應(yīng)，因此在優(yōu)化初期就縮短各齒輪間的壽命差距是十分必要的。
[0003]傳統(tǒng)的通過人工計(jì)算逐一對(duì)比和遴選方案的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化方法，效率較低且無法保證方案最優(yōu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是:提供一種自動(dòng)化、精確的基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其中所述齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)包括2個(gè)及以上的行星齒輪副或平行齒輪副，或至少I個(gè)行星齒輪副和至少I個(gè)平行齒輪副的組合；通過粒子群雙層優(yōu)化獲得所述齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化變量X的最優(yōu)解gbest ;所述優(yōu)化變量X包括:傳動(dòng)比1、齒數(shù)z、模數(shù)m、螺旋角β，和齒寬系數(shù)
V,所述齒寬系數(shù)釋為工作齒寬與主動(dòng)齒輪的分度圓直徑的比值，
[0006]所述齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法包括以下步驟:
[0007]a,設(shè)定優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為fzaA+aA，式中，fH為接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，fp為彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，B2是權(quán)重因子，B^a2=I ;
[0008]b,設(shè)定待優(yōu)化的優(yōu)化變量為
【權(quán)利要求】
1.一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，所述齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)包括2個(gè)及以上的行星齒輪副或平行齒輪副，或至少I個(gè)行星齒輪副和至少I個(gè)平行齒輪副的組合；通過粒子群雙層優(yōu)化獲得所述齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化變量X的最優(yōu)解gbest;所述優(yōu)化變量X包括:傳動(dòng)比1、齒數(shù)Z、模數(shù)m、螺旋角β，和齒寬系數(shù)P ,所述齒寬系數(shù)f為工作齒寬與主動(dòng)齒輪的分度圓直徑的比值，其特征在于，所述齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法包括以下步驟: a,設(shè)定優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為式中，fH為接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，fF為彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，B1^a2是權(quán)重因子，ai+a2=l ； b,設(shè)定待優(yōu)化的優(yōu)化變量為x=[Ui,/iiT式中，f為所有傳動(dòng)比優(yōu)化變量，?為所有齒數(shù)優(yōu)化變量，g為所有模數(shù)優(yōu)化變量 > 為所有螺旋角優(yōu)化變量，0為所有齒寬系數(shù)優(yōu)化變量； C，設(shè)定優(yōu)化的約束條件； d，基于前述的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，通過粒子群兩層優(yōu)化獲得優(yōu)化變量的最優(yōu)解bestg: 首先設(shè)定粒子群規(guī)模η ;第一層從規(guī)模為&*η的粒子群開始優(yōu)化； 設(shè)定第一層粒子群優(yōu)化的迭代次數(shù)gl ; 設(shè)定第一層粒子群 優(yōu)化的慣性權(quán)重Q1，學(xué)習(xí)因子C11和C12 ;設(shè)定第一層粒子群優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)權(quán)重因子an、a12，其中an+a12=l ； 設(shè)定第二層粒子群優(yōu)化的迭代次數(shù)g2 ; 設(shè)定第二層粒子群優(yōu)化的慣性權(quán)重ω2，學(xué)習(xí)因子C21和C22 ;設(shè)定第二層粒子群優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)權(quán)重因子a21、a22，其中a21+a22=l ； 其中，aIl〉ai2，a21〈 a22，ω ?〉ω 2，C11〈 C21，C12〈 C22 ; 設(shè)定第一層粒子群優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為f=anfH+a12fF，且第一層粒子群優(yōu)化的優(yōu)化變量為=x=[llkki>J，第一層粒子群優(yōu)化后選出符合各約束條件的規(guī)模為η的粒子群，并且獲得可行的齒數(shù)配置方案； 重新設(shè)定第二層粒子群優(yōu)化的新的目標(biāo)函數(shù)f=a21fH+a22fF，第二層粒子群優(yōu)化時(shí)將齒數(shù)優(yōu)化變量i和傳動(dòng)比優(yōu)化變量I固化，第二層粒子群優(yōu)化的優(yōu)化變量為X2=[kbM; e,圓整gbest中的模數(shù)、計(jì)算并圓整齒寬，從而得到全部所述優(yōu)化變量X的最終數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，第一層粒子群優(yōu)化包括以下步驟: 11)初始化一群粒子，粒子群規(guī)模為預(yù)設(shè)粒子群規(guī)模η的Ic1倍，然后圓整粒子中各齒數(shù)I，并驗(yàn)證是否滿足各約束條件； 12)選擇kfn的粒子群規(guī)模中選取符合各約束條件的η個(gè)粒子，計(jì)算其目標(biāo)函數(shù)值；并將此η個(gè)粒子的位置標(biāo)記為if";選取所述目標(biāo)函數(shù)值最低的粒子，標(biāo)記為gbest ； 13)初始化所得粒子群中各粒子的速度為Vf=Fmui^(Xtw-Xah) , 0.25 < randi<0.75 ； 14)進(jìn)入迭代階段，設(shè)定飛行速度為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，第二層粒子群優(yōu)化包括以下步驟: 21)重新設(shè)定目標(biāo)函數(shù)f=a21fH+a22fF，用于評(píng)定第一層粒子群優(yōu)化后獲得的粒子群中的各個(gè)粒子和Pf"、gbest的目標(biāo)函數(shù)值； 22)設(shè)定V,中!,!維數(shù)的速度為O; 23)進(jìn)入第二層迭代階段，設(shè)定飛行速度為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟25)中的終止條件設(shè)定為:達(dá)到最大迭代次數(shù)gl+g2或者滿足精度條件: gbest的目標(biāo)函數(shù)值f累計(jì)j次迭代的變化量小于一個(gè)預(yù)先設(shè)定的閾值e，|fn-fn_j| <e；其中fn為當(dāng)前gbest的目標(biāo)函數(shù)值，fn-j為j次迭代前的gbest的目標(biāo)函數(shù)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差fH為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述行星齒輪副或平行齒輪副的約束條件包括齒數(shù)約束條件、傳動(dòng)比誤差約束條件、齒面接觸疲勞強(qiáng)度約束條件、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度約束條件、優(yōu)化變量的上下限。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述行星齒輪副的約束條件還包括鄰接條件、同心條件和裝配條件。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述齒數(shù)約束條件包括:相嚙合的兩個(gè)齒輪的齒數(shù)對(duì)應(yīng)滿足最大公約數(shù)條件gcd(Zl, z2)≤k，k為小于等于3的正整數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述傳動(dòng)比誤差約束為:


10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述齒面接觸疲勞強(qiáng)度約束條件、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度約束條件為: 所有齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)都大于最小接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，所有齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)都大于最小彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，即:
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述優(yōu)化變量的上下限為:
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述鄰接條件為:
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述同心條件為:
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述裝配條件為:
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在圓整中，齒輪模數(shù)取0.5的整數(shù)倍。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粒子群兩層優(yōu)化的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)齒輪箱內(nèi)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G06N3/00GK103870663SQ201410129389
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】陸群峰 申請(qǐng)人:南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司