风力发电机齿轮箱可靠性优化设计文献综述【可参考以下写作提纲】1．前言（简要说明阅读文献背景、目的和范围以及选题的发展现状及争论焦点，不少于800字）随着社会经济的不断发展，人们对能源的需求也越来越大，而不可再生资源在不断消耗，寻求新的可再生资源成为当务之急。

至此，风力发电机应运而生，其装机灵活、基建周期短、环境效益高的诸多优点，促使风力发电成为国家新能源开发的关键技术[1]。

“中国制造2025”新能源装备实施方案指出，要在2025 年前，新能源装备制造业形成完善的产业体系，有效支撑新能源发展[2]。

世界风能协会（World Wind Energy Association, WWEA）统计，截止到2019 年底，全球安装的所有风力发电机的总容量达到6508GW。

2019年增加了59667MW，所有已安装的风力发电机可以满足全球6%以上的电力需求。

中国和美国都表现出强劲的增长势头，分别有275GW 和91GW 的新装机容量，均为近五年来最大的市场容量。

在取得令世界瞩目成绩的同时，也必须正视中国风电产业快速发展过程中所面临的各种问题。

风力发电机一般安装在偏远的户外或者海上，长时间在数十米高空服役，长期运行在振动、潮湿、沙尘、腐蚀、变速、制动等复杂恶劣环境中，各类故障频发且难以提前预警，带病运行将导致设备损坏、风场停机，维护维修成本提高[3]。

风力发电机运行在复杂的环境中，包括多套复杂的子系统。

齿轮箱是风力发电机实现增速的关键子系统，其健康运行关系着风力发电机的健康状态。

齿轮箱内部结构复杂，由多组齿轮、轴承、齿轮轴及润滑冷却系统组成，长期受到交变载荷、冲击载荷的作用，齿轮箱在恶劣的环境下运行，容易发生故障[4]。

目前，大型风力发电机的设计寿命要求不低于20 年，机组的年可利用率不小于97%[5]。

齿轮箱是风力发电机实现增速功能的关键所在，齿轮箱的寿命直接影响着风力发电机的寿命，齿轮箱能安全可靠的运行是风力发电机可靠的必要条件。

风力发电机的装机容量不断提高，风力发电机齿轮箱故障数量增多，而对风力发电机齿轮箱进行可靠性分析能够找出齿轮箱工作过程中的薄弱环节，通过分析提出相应的改进措施，可以提高风力发电机的可靠性。

因此，本文对风力发电机齿轮箱进行可靠性分析，找出齿轮箱系统的薄弱环节，然后对其进行动力学仿真分析，参考分析结果对齿轮箱的重要零部件进行优化，以保障风力发电机在全寿命周期内安全运行。

2．主体（提出问题、分析问题，综合前人文献中提出的理论和事实，比较各种学术观点，阐明所提问题的历史、现状及发展方向，不少于1200）2.1 风力发电机齿轮箱的系统可靠性研究现状国内外学者对风力发电机齿轮箱的系统可靠性进行了大量研究，随着风力发电机尺寸和功率的增加，早在1995 年Seebregts 等人认为风力发电机应该引入航空航天、核能和近海行业中使用的系统可靠性分析方法(FMECA，FTA)[6]。

Bhardwaj等人利用已知的风力发电机齿轮箱的数据进行故障模式与影响分析，确定故障原因的主要可靠性影响因素，通过可靠性预测方法，估算齿轮箱的总故障率[7]。

Zhu等人针对风力发电机齿轮箱提出一种基于模糊集的广义集的故障诊断方法，将其引入故障树中，判断系统的薄弱环节[8]。

Ding 等人提出了一种通过考虑瞬时变化的外部负荷的方法来预测风力发电机齿轮箱的剩余使用寿命[9]。

Carroll 通过机器学习中的人工神经网络技术，结合风力发电机的状态监测数据和振动数据对风力发电机齿轮箱的失效和剩余寿命进行预测[10]。

Liang 等人以模糊数学为基础，结合FMECA 和FTA 理论对齿轮箱主轴系统进行模糊FMECA 分析，评估系统的可靠性[11]。

Márquez 通过故障树分析评估风力发电机齿轮箱的状况，提出用二元决策图(BDD)来减少计算成本，从定量分析的角度制定了维护计划[12]。

国内许多学者对风力发电机齿轮箱的可靠性进行了研究。

安宗文等人基于风险优先数法分析齿轮箱的主要故障，提出了一种改进的FMECA 方法用于风力发电机齿轮箱可靠性研究并制定了维护计划[13]。

王宇晨等人基于全年风力发电机运行数据统计，提出了模糊FMECA 分析方法来研究风力发电机的可靠性问题。

通过模糊评价分析找到对系统危害最大的故障，提高了运维效率并降低了运维的成本[14]。

刘勇等人将模糊集引入到风力发电机齿轮箱故障树中，通过分析模糊概率找到系统的薄弱环节，模糊故障树分析方法可为风力发电机运行和维护提供指导作用[15]。

Lin 等人通过对风力发电机故障数据进行统计分析，总结出这些故障的主要原因，进而提出了一种有关风力发电机设计、制造和维护的可靠性管理办法[16]。

2.2 风力发电机齿轮箱动力学仿真及优化设计研究现状风力发电机齿轮箱的功能是利用齿轮传递力矩、转速，是风力发电机的重要组成部分，国内外学者对齿轮箱的动力学仿真分析做了大量研究。

Zhao 等人考虑内部静态传递误差和外部风引起的激励建立了风力发电机齿轮箱动力学模型，分析在不同激励下的齿轮箱内齿轮、轴承的动态响应[17]。

Xu 等人通过研究齿轮箱的行星齿轮传动和齿轮箱系统之间的边界条件，建立了集成齿轮箱体柔性支撑刚度动力学模型，模拟齿轮箱柔性对动力学响应和动载荷的影响[18]。

王亚丽等人建立了随机波动模型作为齿轮箱动力学仿真的外部激励，并考虑齿轮时变啮合刚度、传动误差和间隙建立了动力学模型，研究系统的动态特性及对系统稳定性的影响[19]。

万晨辉考虑齿轮箱系统在运行中的振动对齿轮箱的运动精度和齿轮寿命有影响，基于多体动力学方法、模态振动和冲击接触理论对齿轮箱系统进行动力学仿真分析[20]。

林锋等人建立了基于MATLAB/SIMULINK 的风力发电机仿真模型和基于ADAMS 的传动齿轮正常和故障状态下的动态仿真模型并进行仿真实验，研究了正常和断齿齿轮的电流故障特性[21]。

王春光对正常运行和停机状态下齿轮箱内关键零部件承受的动态载荷进行了系统建模仿真，分析在正常运行过程中和停机过程中齿轮间接触力的大小和系统的振动状况[22]。

刘梦凡等人考虑风力发电机齿轮箱的重力，建立了齿轮传动系统的耦合动力学模型，获得更准确的振动响应，进而研究风力发电机齿轮传动系统的耦合动力学特性[23]。

李敏在齿轮-轴-轴承动力学模型中采用无质量弹簧的轴承与齿轮箱体耦合，考虑内部激励和外部载荷的状况下，对齿轮箱动力学特性进行理论和实验研究，得到齿轮箱内各齿轮、轴的振动情况[24]。

邢幼圣综合考虑了时变啮合刚度、动态传递误差、齿轮啮合冲击和输入变化载荷等非线性因素，建立了风力发电机行星齿轮传动系统的扭转动力学模型[25]。

宋天昊等人考虑了装配误差，采用集中参数法建立了齿轮箱行星齿轮传动系统弯曲-扭转耦合振动模型，利用Runge-Kutta 算法求解动力学模型，并研究了支架水平装配误差、支架轴装配误差和支架空间装配误差对动力特性的影响[26]。

风力发电机通过塔筒安装在户外高空，其风轮、主轴、齿轮箱和发电机等均安装在塔筒的顶端，其重量从几吨到十几吨。

随着风力发电机功率越来越大，齿轮箱重量也越来越大，国内外学者为减轻风力发电机齿轮箱重量进行了大量研究。

胡夏夏等人利用有限元方法对齿轮箱行星架进行了静力分析和模态分析，得到其变形、应力分布和固有频率，在满足极限强度和疲劳寿命的条件下，对行星架进行了优化并得到了轻量化的结构[27]。

Desvaux 等人考虑了磁性齿轮结构和系统的变形及应力约束，优化系统几何参数，使风力发电机的材料成本最小化[28]。

Li 等人建立了风力发电机齿轮传动系统的纯扭力动力学模型，基于动态可靠性对齿轮传动系统进行概率设计优化，使系统体积减少，振动减小，有利于齿轮箱传动系统的平稳运行[29]。

3．总结（概括主题的主要内容，总结主题的情报资料，指出当前存在的问题及今后发展趋势和方向，并提出作者的观点、倾向和建议，不少于1000）风力发电机齿轮箱是风力发电机完成发电任务的关键，通过齿轮箱的增速功能，将输入的低转速转换为输出的高转速，提高了发电效率。

然而，从风力发电机故障数据来看，齿轮箱故障占风力发电机故障比例较大，风电行业又对风力发电机的可靠性要求较高。

国内外学者从随机风速的建模分析、齿轮传动系统的疲劳可靠性分析、使用Copula 函数的多失效相关可靠性分析、使用Copula 函数的多失效相关可靠性分析、基于Archard 模型的磨损分析等角度展开了对风力发电机齿轮箱可靠性的评估与优化设计，本文则采用可靠性分析方法——FMECA这一新角度对齿轮箱内关键零部件进行分析；接着以FMECA 分析结果为参考，对齿轮箱系统进行FTA 分析；然后对齿轮箱平行轴传动系统进行动力学仿真分析，得到接触力和输出转速随输入转速的时间-历程；力求以体积、重量最小为优化目标对齿轮箱平行轴传动系统进行优化设计。

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