高功率密度风电齿轮箱行星轮-滑动轴承集成结构的啮合润滑协同优化研究

针对风电齿轮箱中行星轮-滑动轴承集成结构(PGJB)因动态啮合力导致的边缘接触和载荷偏载问题，研究人员建立了考虑弹流润滑(EHD)特性的刚柔耦合摩擦动力学模型，通过代理模型重构设计参数与系统响应的映射关系，采用遗传算法实现齿轮-轴承修形的多目标协同优化。优化后齿轮副载荷分布均匀性提升42%，轴承边缘接触压力降低35%，显著提高了风电齿轮箱的载荷分配性能和振动特性。

　　

随着全球风电产业向大兆瓦机型发展，风电齿轮箱(WTG)的扭矩密度和可靠性面临严峻挑战。传统滚动轴承在重载工况下易出现早期失效，而采用滑动轴承(PGJB)与行星轮集成设计虽能提高扭矩密度，却因行星轮系统(PGS)复杂的动态啮合力引发轴承边缘接触，进而反馈影响齿轮啮合性能，形成强烈的啮合-润滑耦合效应。这种双向耦合作用导致风电传动系统出现载荷分布不均、振动加剧等问题，严重制约高功率密度齿轮箱的发展。

针对这一难题，重庆大学的研究团队在《Renewable Energy》发表了创新性研究。他们建立了考虑混合弹流润滑(EHD)、不对中及修形效应的PGJB摩擦动力学模型，通过非线性油膜力和油膜厚度构建行星架销轴与行星轮的力-位移兼容方程，形成刚柔耦合的系统级分析框架。研究采用代理模型重构多设计参数与系统响应的映射关系，结合遗传算法实现齿轮修形与轴承轮廓的协同优化。关键技术包括：基于瞬态EHD理论的轴承建模、多体动力学仿真、实验验证采用6MW风电齿轮箱全尺寸试验台和专用轴承测试装置。

研究结果揭示：

1. 传动原理分析：动态啮合力导致行星架销轴非对称变形，是引发齿轮载荷偏载和PGJB边缘接触的根本原因，且该效应随输入扭矩增大而加剧。
2. 优化模型构建：确立以齿轮副载荷均匀度、轴承边缘接触压力、系统振动加速度为目标的Pareto前沿，最优方案使25%-100%载荷工况下偏载系数降低18%-42%。
3. 摩擦动力学响应：优化后PGJB最大边缘接触压力从43MPa降至28MPa，太阳轮动态啮合力波动幅度减少31%，验证了修形对耦合效应的解耦作用。
4. 实验验证：轴承测试显示优化轮廓使油膜厚度增加22%，全尺寸齿轮箱试验证实振动加速度降低26dB，与仿真结果误差<15%。

这项研究的意义在于：首次实现了风电传动系统啮合-润滑耦合效应的协同优化，提出的刚柔耦合建模方法突破了传统简化模型（如短轴承理论、刚度阻尼近似）的精度局限。通过多参数联合优化策略，解决了独立优化难以协调全生命周期多工况适应性的难题，为高功率密度风电齿轮箱设计提供了理论依据和工程实践范式。研究团队特别指出，该方法可推广至其他重载齿轮传动系统，未来将结合数字孪生技术进一步优化动态控制策略。