一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，包括如下步骤：设定优化的目标函数；设定待优化的优化变量；设定优化的约束条件；通过粒子群两层优化获得优化变量的最优解g

【技术实现步骤摘要】
一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法
本专利技术涉及一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统的设计方法，尤其是涉及一种基于粒子群优化技术的兆瓦级的风力发电机行星传动齿轮箱的设计方法。
技术介绍
风力发电机组的主齿轮箱是机组中一个非常重要的机械部件，其内的传动系统传动比大，传递功率高。风电齿轮箱往往安装于偏远的荒野、高山、海域等地，难以到达；齿轮箱所在的机舱空间非常狭小，维修十分不易，而如将齿轮箱从风机上吊装至地面维修，费用难以承受；这就迫使风机齿轮箱比普通齿轮箱有更高的可靠度要求。而风机齿轮箱的损坏约90%是由于某一个齿轮失效，但其造成的损失却大大超过该齿轮本身的价值，这就是风电齿轮箱中常出现的短板效应，因此在优化初期就缩短各齿轮间的寿命差距是十分必要的。传统的通过人工计算逐一对比和遴选方案的齿轮传动系统优化方法，效率较低且无法保证方案最优。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是：提供一种自动化、精确的基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其中所述齿轮传动系统包括2个及以上的行星齿轮副或平行齿轮副，或至少1个行星齿轮副和至少1个平行齿轮副的组合；通过粒子群双层优化获得所述齿轮传动系统的优化变量X的最优解gbest；所述优化变量X包括：传动比i、齿数z、模数m、螺旋角β，和齿宽系数所述齿宽系数为工作齿宽与主动齿轮的分度圆直径的比值，所述齿轮传动系统设计方法包括以下步骤：a,设定优化的目标函数为f=a1fH+a2fF,式中，fH为接触疲劳强度安全系数的标准差，fF为弯曲疲劳强度安全系数的标准差，a1、a2是权重因子，a1+a2=1；b,设定待优化的优化变量为式中，为所有传动比优化变量，为所有齿数优化变量，为所有模数优化变量，为所有螺旋角优化变量，为所有齿宽系数优化变量；c，设定优化的约束条件；d，基于前述的目标函数和约束条件，通过粒子群两层优化获得优化变量的最优解gbest：首先设定粒子群规模n；第一层从规模为k1*n的粒子群开始优化；设定第一层粒子群优化的迭代次数g1；设定第一层粒子群优化的惯性权重ω1，学习因子c11和c12；设定第一层粒子群优化的目标函数权重因子a11、a12，其中a11+a12=1；设定第二层粒子群优化的迭代次数g2；设定第二层粒子群优化的惯性权重ω2，学习因子c21和c22；设定第二层粒子群优化的目标函数权重因子a21、a22，其中a21+a22=1；其中，a11＞a12，a21＜a22,ω1＞ω2，c11＜c21,c12＜c22；设定第一层粒子群优化的目标函数为f=a11fH+a12fF，且第一层粒子群优化的优化变量为第一层粒子群优化后选出符合各约束条件的规模为n的粒子群，并且获得可行的齿数配置方案；重新设定第二层粒子群优化的新的目标函数f=a21fH+a22fF，第二层粒子群优化时将齿数优化变量和传动比优化变量固化，第二层粒子群优化的优化变量为e，圆整gbest中的模数、计算并圆整齿宽，从而得到全部所述优化变量X的最终数值。上述方法中，第一层粒子群优化包括以下步骤：11）初始化一群粒子，粒子群规模为预设粒子群规模n的k1倍，然后圆整粒子中各齿数并验证是否满足各约束条件；12）选择k1*n的粒子群规模中选取符合各约束条件的n个粒子，计算其目标函数值；并将此n个粒子的位置标记为选取所述目标函数值最低的粒子，标记为gbest；13）初始化所得粒子群中各粒子的速度为0.25＜randi＜0.75；14）进入迭代阶段，设定飞行速度为：式中，ω1为惯性权重，随迭代过程在[0.9,0.4]之间线性减小，c11、c12为学习因子、是两个非负常数，rand1、rand2是介于[0,1]之间的随机数；粒子群新位置为：15）圆整齿数，重算传动比，验证各粒子是否满足约束条件，对于不满足的粒子，重复步骤14重新生成新位置；16）重复步骤14）、15）若干次，若粒子仍为无效解，则以替代无效解；17）计算各粒子的目标函数值，比较各粒子当前目标函数值与其对应的的目标函数值，并将设定为目标函数值相对最低的位置；比较当前粒子群中所有粒子的最优目标函数值与gbest的目标函数值，并将gbest设定为目标函数值相对最低的位置；18）重复步骤14）-17），直到达到第一层的迭代次数g1；获得符合各约束条件的规模为n的粒子群，此时，该粒子群已获得可行的齿数配置方案，并且gbest获得第一层粒子群优化后的接触疲劳强度安全系数的标准差和弯曲疲劳强度安全系数的标准差。上述方法中，第二层粒子群优化包括以下步骤：21）重新设定目标函数f=a21fH+a22fF，用于评定第一层粒子群优化后获得的粒子群中的各个粒子和gbest的目标函数值；22）设定中维数的速度为0；23）进入第二层迭代阶段，设定飞行速度为：式中，ω2为惯性权重，随迭代过程在[0.9,0.4]之间线性减小，c21、c22为学习因子，是两个非负常数，rand1、rand2是介于[0,1]之间的随机数；粒子群新位置为：24）计算各粒子的目标函数值，比较各粒子当前目标函数值与其对应的的目标函数值，并将设定为目标函数值相对最低的位置；比较当前粒子群中所有粒子的最优目标函数值与gbest的目标函数值，并将gbest设定为目标函数值相对最低的位置；25）重复步骤23）-24），直到达到终止条件；此时规模为n的粒子群满足各约束条件，并且gbest获得第二层粒子群优化后的接触疲劳强度安全系数标准差及弯曲疲劳强度安全系数标准差。优选的，所述步骤25）中的终止条件设定为：达到最大迭代次数g1+g2或者满足精度条件：gbest的目标函数值f累计j次迭代的变化量小于一个预先设定的阈值e，|fn-fn-j|＜e；其中fn为当前gbest的目标函数值，fn-j为j次迭代前的gbest的目标函数值。上述方法中，所述接触疲劳强度安全系数的标准差fH为：其中N为所有外齿轮的总数量，SHj为各外齿轮的接触疲劳强度安全系数，为各外齿轮的接触疲劳强度安全系数的平均值；所述弯曲疲劳强度安全系数的标准差fF为：其中N为所有外齿轮的总数量，SFj为各外齿轮的弯曲疲劳强度安全系数，为各外齿轮的弯曲疲劳强度安全系数的平均值。优选的，所述行星齿轮副或平行齿轮副的约束条件包括齿数约束条件、传动比误差约束条件、齿面接触疲劳强度约束条件、齿根弯曲疲劳强度约束条件、优化变量的上下限。优选的，所述行星齿轮副的约束条件还包括邻接条件、同心条件和装配条件。优选的，所述齿数约束条件包括：相啮合的两个齿轮的齿数对应满足最大公约数条件gcd(z1,z2)≤k，k为小于等于3的正整数。优选的，所述传动比误差约束为：式中：n为齿轮传动系统齿轮副的级数，ij为第j级齿轮副的传动比，i0为要求的传动比。所述齿面接触疲劳强度约束条件、齿根弯曲疲劳强度约束条件为：所有齿轮的齿面接触疲劳强度安全系数都大于最小接触疲劳强度安全系数，所有齿轮的齿根弯曲疲劳强度安全系数都大于最小弯曲疲劳强度安全系数，即：式中：SHj为各齿轮的齿面接触疲劳强度安全系数；SFj为各齿轮的齿根弯曲疲劳强度安全系数。所述优化变量的上下限为：所述邻接条件为：L＞dap，即：式中：L为相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，所述齿轮传动系统包括2个及以上的行星齿轮副或平行齿轮副，或至少1个行星齿轮副和至少1个平行齿轮副的组合；通过粒子群双层优化获得所述齿轮传动系统的优化变量X的最优解g

【技术特征摘要】
1.一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，所述齿轮传动系统包括2个及以上的行星齿轮副或平行齿轮副，或至少1个行星齿轮副和至少1个平行齿轮副的组合；通过粒子群双层优化获得所述齿轮传动系统的优化变量X的最优解gbest；所述优化变量X包括：传动比i、齿数z、模数m、螺旋角β，和齿宽系数所述齿宽系数为工作齿宽与主动齿轮的分度圆直径的比值，其特征在于，所述齿轮传动系统设计方法包括以下步骤：a,设定优化的目标函数为f＝a1fH+a2fF,式中，fH为接触疲劳强度安全系数的标准差，fF为弯曲疲劳强度安全系数的标准差，a1、a2是权重因子，a1+a2＝1；b,设定待优化的优化变量为式中，为所有传动比优化变量，为所有齿数优化变量，m)为所有模数优化变量，为所有螺旋角优化变量，为所有齿宽系数优化变量；c，设定优化的约束条件；d，基于前述的目标函数和约束条件，通过粒子群两层优化获得优化变量的最优解gbest：首先设定粒子群规模n；第一层从规模为k1*n的粒子群开始优化；设定第一层粒子群优化的迭代次数g1；设定第一层粒子群优化的惯性权重ω1，学习因子c11和c12；设定第一层粒子群优化的目标函数权重因子a11、a12，其中a11+a12＝1；设定第二层粒子群优化的迭代次数g2；设定第二层粒子群优化的惯性权重ω2，学习因子c21和c22；设定第二层粒子群优化的目标函数权重因子a21、a22，其中a21+a22＝1；其中，a11>a12，a21<a22,ω1>ω2，c11<c21,c12<c22；设定第一层粒子群优化的目标函数为f＝a11fH+a12fF，且第一层粒子群优化的优化变量为第一层粒子群优化后选出符合各约束条件的规模为n的粒子群，并且获得可行的齿数配置方案；重新设定第二层粒子群优化的新的目标函数f＝a21fH+a22fF，第二层粒子群优化时将齿数优化变量和传动比优化变量固化，第二层粒子群优化的优化变量为e，圆整gbest中的模数、计算并圆整齿宽，从而得到全部所述优化变量X的最终数值。2.根据权利要求1所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，第一层粒子群优化包括以下步骤：11)初始化一群粒子，粒子群规模为预设粒子群规模n的k1倍，然后圆整粒子中各齿数并验证是否满足各约束条件；12)选择k1*n的粒子群规模中选取符合各约束条件的n个粒子，计算其目标函数值；并将此n个粒子的位置标记为选取所述目标函数值最低的粒子，标记为gbest；13)初始化所得粒子群中各粒子的速度为Vi0＝randi*(Xmax-Xmin)，0.25<randi<0.75；randi为随机数；14)进入迭代阶段，设定飞行速度为：式中，ω1为惯性权重，随迭代过程在[0.9,0.4]之间线性减小，c11、c12为学习因子、是两个非负常数，rand1、rand2是介于[0,1]之间的随机数；xi表示当前迭代步骤中各个粒子的位置；Vik表示各粒子当前迭代步骤时的飞行速度；Vik+1表示各粒子下一次迭代步骤时的飞行速度；粒子群新位置为：15)圆整齿数，重算传动比，验证各粒子是否满足约束条件，对于不满足的粒子，重复步骤14)重新生成新位置；16)重复步骤14)、15)若干次，若粒子仍为无效解，则以替代无效解；17)计算各粒子的目标函数值，比较各粒子当前目标函数值与其对应的的目标函数值，并将设定为目标函数值相对最低的位置；比较当前粒子群中所有粒子的最优目标函数值与gbest的目标函数值，并将gbest设定为目标函数值相对最低的位置；18)重复步骤14)-17)，直到达到第一层的迭代次数g1；获得符合各约束条件的规模为n的粒子群，此时，该粒子群已获得可行的齿数配置方案，并且计算出gbest获得第一层粒子群优化后的当前最优解的接触疲劳强度安全系数的标准差和弯曲疲劳强度安全系数的标准差。3.根据权利要求2所述的一种基于粒子群两层优化的齿轮传动系统设计方法，其特征在于，第二层粒子群优化包括以下步骤：21)重新设定目标函数f＝a21fH+a22fF，用于评定第一层粒子群优化后获得的粒子群中的各个粒子和gbest的目标函数值；22)设定Vik中维数的速度为0；23)进入第二层迭代阶段，设定飞行速度为：式中，ω2为惯性权重，随迭代过程在[0.9,0.4]之间线性减小，c21、c22为学习因子，是两个非负常数，rand1、rand2是介于[...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆群峰，徐志平，
申请(专利权)人：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32