CN102156047B - 风力发电机组试验台模拟加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组试验台模拟加载装置。驱动轴通过单法兰柔性联轴器、扭矩传感器、法兰与加载轴和法兰与风力发电机主轴法兰连接；加载轴两端分别支撑在轴承座中，四个垂向双作用油缸一端与底座连接，四个垂向双作用油缸的另一端分别对称连接在各自的加载轴承座的两侧；两个轴向双作用油缸一端分别与底座连接，另一端分别连接在近风力发电机主轴法兰端加载轴承座上；两根连杆的一端连接在底座上，另一端连接在两个加载轴承座的下部。本发明可以模拟风力发电机组实际运行工况下的各种载荷；在径向平面内仅布置一个方向的油缸，利用连杆将垂向力转化为水平力，实现任意径向力的加载，结构简单紧凑，减少了布置空间和成本，便于控制。

Description

风力发电机组试验台模拟加载装置
技术领域
本发明涉及一种模拟加载装置，尤其是一种风力发电机组试验台模拟加载装置。
背景技术
随着能源危机的不断加剧，风力发电以其环保、可持续的特点成为解决能源危机的重要途径。由于风力发电机组应用环境的恶劣程度以及对机组长寿命、高可靠性和安全性的特殊要求，建立风力发电机组试验台，对风力发电机组的重要部件如齿轮箱、主轴、发电机等进行测试，对优化产品性能、保障产品质量有着非常重要的作用。
由于风力发电机组实际运行工况复杂，主轴端部将受到径向载荷、轴向载荷、弯矩及扭矩等空间6个自由度力和力矩的共同作用。因此，要保证风力发电机组试验台试验结果的准确性，必须尽可能准确的模拟风力发电机组实际运行工况下的载荷。传统的风力发电机组试验台大都只模拟风轮转动产生的绕主轴轴线的扭矩；专利CN101614615B针对直升机尾减速器的受力特点用三个液压缸实现了4个自由度的加载；专利CN201680969U使用12个液压缸对风力发电机组试验台进行加载，但径向平面内的四个液压缸施加的力之间有约束关系，极大的增加了控制的难度，且液压缸过多导致所占空间大、成本高。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
发明内容
针对风力发电机组载荷特点，本发明的目的旨在提供结构简单紧凑、容易控制的一种风力发电机组试验台模拟加载装置。通过该装置为风力发电机组试验台提供风力发电机组实际运行工况下的各种载荷。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括扭矩传感器，加载轴，两个加载轴承座，四个垂向双作用油缸，两个轴向双作用油缸，两根连杆；驱动轴通过单法兰柔性联轴器、扭矩传感器、法兰与加载轴和法兰与风力发电机主轴法兰连接；加载轴两端分别通过加载轴承支撑在加载轴承座中，四个垂向双作用油缸的一端分别与底座连接，四个垂向双作用油缸的另一端两个为一组，分别对称连接在各自的加载轴承座圆周方向上xy平面内的两侧；两个轴向双作用油缸的一端分别与底座连接，另一端分别对称连接在近风力发电机主轴法兰端加载轴承座圆周方向上xy平面内的两侧；两根连杆的一端分别连接在底座上，另一端分别连接在两个加载轴承座xz平面的下部。
本发明的有益效果是：
1、本发明可以模拟风力发电机组实际运行工况下六个自由度的各种载荷。
2、在径向平面内仅布置一个方向的油缸，利用连杆将垂向力转化为水平力，结构简单紧凑，实现任意径向力的加载，避免了y、z两个方向均布置油缸而产生的油缸力之间的约束问题，便于控制，减少了布置空间和成本。
附图说明
图1是风力发电机组实际运行工况载荷示意图。
图2是本发明三维结构图。
图3是本发明剖面图。
图4是径向平面加载受力分析图。
图中：1-底座，2-垂向双作用油缸，3-加载轴承座，4-轴向双作用油缸，5-加载轴，6-加载轴承座，7-风力发电机主轴法兰，8-连杆，9-驱动轴，10-单法兰柔性联轴器，11-扭矩传感器，12-法兰，13-加载轴承，14-加载轴承，15-法兰；                                                -轴向力，
Figure 478181DEST_PATH_IMAGE002
-y方向径向力，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
-z方向径向力，-绕x轴扭矩，
Figure 2011100836842100002DEST_PATH_IMAGE005
-绕y轴弯矩，-绕z轴弯矩，
Figure 2011100836842100002DEST_PATH_IMAGE007
-左侧油缸力，
Figure 923965DEST_PATH_IMAGE008
-右侧油缸力，
Figure 2011100836842100002DEST_PATH_IMAGE009
-连杆力，-径向y方向反力，-径向z方向反力，
Figure 322771DEST_PATH_IMAGE012
-轴线到两侧油缸距离，-轴线所在水平面到连杆的距离，
Figure 508902DEST_PATH_IMAGE014
-径向反力，
Figure 2011100836842100002DEST_PATH_IMAGE015
-径向反力与y轴的夹角。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的描述。
如图1所示，风力发电机组实际运行时，受到轴向力
Figure 932535DEST_PATH_IMAGE001
、径向力
Figure 282745DEST_PATH_IMAGE002
和、绕x轴的扭矩
Figure 616960DEST_PATH_IMAGE004
、绕y轴和z轴的弯矩和
Figure 831090DEST_PATH_IMAGE006
六个自由度的载荷，因此，要保证风力发电机组试验台试验结果的准确性，必须对风力发电机组实际运行工况下的载荷进行模拟。
本发明结构如图2、图3所示，本发明包括扭矩传感器11，加载轴5，两个加载轴承座3、6，四个垂向双作用油缸2，两个轴向双作用油缸，两根连杆8；驱动轴9通过单法兰柔性联轴器10、扭矩传感器11、法兰12与加载轴5和法兰15与风力发电机主轴法兰7连接；加载轴5两端分别通过加载轴承13、14支撑在加载轴承座3、6中，四个垂向双作用油缸2的一端分别与底座1连接，四个垂向双作用油缸2的另一端两个为一组，分别对称连接在各自的加载轴承座3、6圆周方向上xy平面内的两侧；两个轴向双作用油缸4的一端分别与底座1连接，另一端分别对称连接在近风力发电机主轴法兰7端加载轴承座3、6圆周方向上xy平面内的两侧；两根连杆8的一端分别连接在底座1上，另一端分别连接在两个加载轴承座3、6xz平面的下部。
驱动轴9为模拟风轮转动的驱动轴，单法兰柔性联轴器10防止加载器的负载力反传递至驱动端，扭矩传感器11实现对驱动轴传递的扭矩的测量和控制，法兰15通过风力发电机主轴法兰7传递加载装置的载荷和运动给风力发电机主轴，加载轴5上设有轴肩对加载轴承13进行轴向定位。垂向双作用油缸2和轴向双作用油缸4上均带有传感器，以方便控制；连接在同一加载轴承座3、6上的垂向油缸2和连杆8在同一径向平面内，方便计算和控制。
绕x轴扭矩
Figure 584151DEST_PATH_IMAGE004
由驱动轴9提供，扭矩大小可以通过扭矩传感器11进行测量控制；轴向力
Figure 823502DEST_PATH_IMAGE001
和绕z轴弯矩
Figure 373957DEST_PATH_IMAGE006
由两个轴向双作用油缸4提供力实现；绕y轴的弯矩
Figure 698759DEST_PATH_IMAGE005
由四个垂向双作用油缸2提供力实现。
径向力
Figure 255511DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 83790DEST_PATH_IMAGE003
由垂向双作用油缸2和连杆8实现。实现原理如图4所示，选取加载轴承座6为研究对象，在yz平面内进行分析，轴承座6受到左侧垂向双作用油缸2的力
Figure 67795DEST_PATH_IMAGE007
、右侧垂向双作用油缸2的力
Figure 614314DEST_PATH_IMAGE008
，连杆8的力
Figure 974757DEST_PATH_IMAGE009
，y方向加载轴5施加的径向反力，z方向加载轴5施加的径向反力，设轴线到两侧垂向双作用油缸2的距离
Figure 114773DEST_PATH_IMAGE012
，轴线所在水平面到连杆8的距离为
Figure 13328DEST_PATH_IMAGE013
，则由力和力矩平衡可得下述三式：
  
Figure 816199DEST_PATH_IMAGE016
                        (1)
          
Figure 2011100836842100002DEST_PATH_IMAGE017
                      (2)
                  (3)
由以上三式可得：
          
Figure 2011100836842100002DEST_PATH_IMAGE019
                    (4)
          
Figure 787752DEST_PATH_IMAGE020
                        (5)
改变
Figure 227348DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 212621DEST_PATH_IMAGE011
的值即可得到与y轴成任意角度的径向反力
Figure 717738DEST_PATH_IMAGE014
，由于加载轴5施加给轴承座6的力与轴承座6施加给加载轴5的力互为作用力和反作用力，因此即可得到y方向的径向力
Figure 708828DEST_PATH_IMAGE002
和z方向的径向力
Figure 735558DEST_PATH_IMAGE003
以及与y轴成任意角度
Figure 153901DEST_PATH_IMAGE015
的径向力。
本装置实际加载时可根据需要的载荷计算出各油缸的力，通过控制各油缸的力来模拟风力发电机组实际运行工况下的各种载荷。

Claims (1)

1.一种风力发电机组试验台模拟加载装置，其特征在于：包括扭矩传感器，加载轴，两个加载轴承座，四个垂向双作用油缸，两个轴向双作用油缸，两根连杆；驱动轴依次通过单法兰柔性联轴器、扭矩传感器、第一法兰、加载轴、第二法兰与风力发电机主轴法兰连接；加载轴两端分别通过加载轴承支撑在加载轴承座中，四个垂向双作用油缸的一端分别与底座连接，四个垂向双作用油缸的另一端两个为一组，分别对称连接在各自的加载轴承座圆周方向上xy平面内的两侧；两个轴向双作用油缸的一端分别与底座连接，另一端分别对称连接在近风力发电机主轴法兰端加载轴承座圆周方向上xy平面内的两侧；两根连杆的一端分别连接在底座上，另一端分别连接在两个加载轴承座xz平面的下部。
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