CN103323234A - 一种实现位姿控制和主轴加载的风机增速箱试验台 - Google Patents

Abstract

本发明属于风电装备增速箱传动系统动态性能及可靠性技术领域，具体涉及一种实现位姿控制和主轴加载的风机增速箱试验台。该试验台包括位姿模拟平台和主轴载荷模拟平台，其中位姿模拟平台通过六个位姿加载驱动装置模拟试验台在实际风载下的空间六个自由度位移变动；主轴载荷模拟平台由六个磁场加载装置模拟主轴在实际风载下承受的交变弯曲载荷和轴向推力载荷。利用并联机构基本构型，可以模拟风载作用下的风电增速箱的六自由度位置与姿态，通过非接触式主轴电磁加载，可以真实模拟主轴在实际工况中承受的轴向推力载荷和交变弯曲载荷。

Description

一种实现位姿控制和主轴加载的风机增速箱试验台

技术领域

本发明属于风电装备增速箱传动系统动态性能及可靠性技术领域，具体涉及一种可以实现空间六自由度位置、姿态控制和主轴非接触式加载方式的风机增速箱试验台。

背景技术

风电装备“大型化、长寿命和高可靠性”是全球风电装备制造业的发展趋势，也是共同面临的技术挑战。风电装备的服役条件负载，受无规律变向载荷风力乃至于强阵风的冲击作用，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，以及风沙和近海烟雾的侵害，极易造成关键零部件失效。根据国内外近十几年来的风电装备故障统计数据，兆瓦级风电装备的故障主要集中在齿轮箱、发电机、叶片、电力系统、偏航系统等关键部件，其中齿轮箱是引起风电装备停机时间最长的关键部件。

由于风电装备技术领域对增速箱的可靠性和寿命的严格要求，因此对风电增速箱进行台架试验测试是风电增速箱开发、设计和生产的重要环节。按照国家标准GB/T19073-2003中试验方法和检验规则的运载试验要求，需对风电增速箱进行空载试验、性能试验、空载功率损耗测定、齿面接触疲劳寿命试验、噪声和机械振动检测等项目测试。除此之外，按照工程需要还可能进行实际工况的模拟试验。而随着风电机组单机容量的快速增长，风电增速箱及其试验台的额定功率也快速增长。因此，对风电增速箱试验台的要求更加严格，风电增速箱试验台的开发难度进一步提高。

现有的风电增速箱只在出厂前做常规的功能性试验，检测增速箱是否正常运转，判定是否满足基本功能需求，但是没有考虑有复杂外界干扰的实际工况条件下的性能试验，并不能对风电增速箱的运动学性能和动力学性能进行相关试验研究，因此造成了国内外风电装备中齿轮箱频繁发生各种失效形式的故障。

在总结风电增速箱运动特性的基础上，设计符合模拟风载的齿轮箱振动试验台并联机构基本构型。由于风电增速箱的真实运动是空间的六维运动（X、Y、Z三个方向的移动及绕三个轴的转动），需要对大型风电增速箱模型进行一定加速度下的运动模拟，所以风电增速箱模拟振动台的驱动能力要足够强以满足其承载和高负载下运动特性。目前工程上广泛采用的风机试验台是电动机驱动减速器再直接连接风电机组传动系统，该试验台只能提供风电机组所需的转矩，而不能真实模拟实际风载对主轴的其他作用载荷，而风机传动链的输入端主轴部分还需承受轴向推力以及弯矩载荷，因此对传动链主轴部分施加非接触式载荷是大势所趋。除此之外，为了实时地测电增速箱模拟运动平台的六维运动参数和被测模型在风载作用下的响应，应该采用多个位置、速度、加速度以及力传感器进行实时监测。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种实现位姿控制和主轴加载的风机增速箱试验台，模拟风机增速箱在实际风载作用下的空中位置姿态变化和主轴实际工况中承受多种复合载荷的情况，方便开展在复杂多自由度振动情况下增速箱动态性能及可靠性的研究工作。

本发明采用的技术方案为：

该试验台包括位姿模拟平台和主轴载荷模拟平台，其中位姿模拟平台通过六个位姿加载驱动装置模拟试验台在实际风载下的空间六个自由度位移变动；主轴载荷模拟平台由六个磁场加载装置模拟主轴在实际风载下承受的交变弯曲载荷和轴向推力载荷；

所述位姿模拟平台的结构为：多个位姿加载驱动装置分别安装在运动工作台的侧面和底面，风机增速箱模型安装在运动工作台的顶面；位姿加载驱动装置采用3-2-1的布置方式实施位置、姿态的控制，具体位置为：在运动工作台的底面上固连三个位姿加载驱动装置，用于克服所述的运动工作台和风机增速箱模型的重力影响；在运动工作台的末端面固连两个位姿加载驱动装置，用于模拟风机增速箱在主轴方向的位姿变动；在运动工作台的侧端面固连一个位姿加载驱动装置，用于模拟施加风机增速箱机舱侧端的位姿变动；

所述主轴载荷模拟平台的结构为：风机主轴的一端与风机增速箱模型的锁紧套连接，风机主轴的另一端与主轴轴承配合，主轴轴承外圈与主轴轴承座内孔配合，主轴轴承座通过螺栓连接与运动工作台固连；在风机主轴的输入端面上安装加载圆盘，加载圆盘具有导磁性能；在加载圆盘的上下左右四个位置分别布置四个磁场加载装置，通过对四个磁场加载装置的电流调节控制，模拟实际工况的交变弯曲载荷；在加载圆盘靠近风机主轴的一侧安置两个磁场加载装置，模拟实际工况的轴向推力载荷。

所述位姿加载驱动装置的结构为：液压站通过伺服控制阀控制液压执行元件，液压执行元件包括液压缸体和液压活塞杆；在液压缸体的两端固连液压缸盖，液压活塞杆一端位于液压缸体内，一端伸出并与移动块固连；液压系统的液压通过液压活塞杆转换为机械能，驱动移动块直线进给运动；移动块两侧的凸台嵌入到支撑台架的线槽中，支撑台架的位置与运动工作台相对固定上，移动块沿着支撑台架的线槽直线往复运动；支撑杆的一端通过球铰链与移动块连接，另一端通过球铰链与运动工作台连接，支撑杆可在空间任意角度内转动，使得整个位姿变动的机械能传递到运动工作台上，真实模拟风机增速箱的位姿变动。

所述加载圆盘的材料为锻铁件或高强度铸钢件，加载圆盘与磁场装置相互作用，产生磁吸引力，模拟轴向载荷和弯矩载荷。

所述磁场加载装置的结构为：圆柱型铁芯的圆周方向缠绕导线线圈，并通过PLC控制流经线圈的电流大小，从而控制磁场吸引力的大小。

本发明的有益效果为：

本发明利用并联机构基本构型，可以模拟风载作用下的风电增速箱的六自由度位置与姿态，符合风电增速箱的真实运动即空间的六维运动（X、Y、Z三个方向的移动及绕三个轴的转动）；通过非接触式主轴电磁加载，可以真实模拟主轴在实际工况中承受的轴向推力载荷和交变弯曲载荷。本发明所述的风电增速箱模拟振动台的驱动能力具有高承载性和高负载下良好的运动特性，它采用伺服控制系统，通过反馈环节可以准确控制实验级风电增速箱模型的位置精度，同时主轴非接触式电磁加载装置具有快速、灵敏的特性，可以对大型风机主轴进行轴向推力载荷和弯曲交变载荷的模拟。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是位姿加载驱动装置位置布置图；

图3是位姿加载驱动装置结构示意图；

图4是主轴载荷模拟平台结构示意图；

图5是磁场加载装置结构示意图；

图中标号：

1-位姿加载驱动装置，2-运动工作台，3-风机增速箱模型，4-风机主轴，5-主轴轴承，6-主轴轴承座，7-加载圆盘，8-电磁加载装置，9-液压缸体，10-液压活塞杆，11-缸盖，12-移动块，13-支撑台架，14-球铰链，15-支撑杆，16-球铰链，17、18、19、20、21、22-磁场加载装置，23-线圈，24-铁芯，25、26、27、28、29、30-位姿加载驱动装置。

具体实施方式

本发明提供了一种实现位姿控制和主轴加载的风机增速箱试验台，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，本发明所述的实现空间六自由度位姿控制和非接触式主轴加载的风机增速箱试验平台装置包括位姿加载驱动装置1、运动工作台2和风机增速箱模型3；6个位姿加载驱动装置1分别安装在运动工作台2的侧面和底面，风机增速箱模型3安装在运动工作台2的顶面；位姿加载驱动装置1采用3-2-1的布置方式实施位置、姿态的控制，具体位置为：在运动工作台2的底面上固连三个位姿加载驱动装置1，用于克服所述的运动工作台2和风机增速箱模型3的重力影响；在运动工作台2的末端面固连两个位姿加载驱动装置1，用于模拟风机增速箱在主轴方向的位姿变动；在运动工作台2的侧端面固连一个位姿加载驱动装置1，用于模拟施加风机增速箱机舱侧端的位姿变动。

如图3所示，本发明所述的位姿加载驱动装置的结构是：液压站通过伺服控制阀控制液压执行元件，液压执行元件包括液压缸体9和液压活塞杆10等部件。在液压缸体9的两端固连液压缸盖11，起到支撑保护作用。液压系统的液压能通过液压活塞杆10转换为机械能，驱动移动块12直线进给运动。移动块12两侧的凸台嵌入到支撑台架13的线槽中，支撑台架13与运动工作台2位置相对固定，这样保证了移动块12可以沿着支撑台架13的线槽直线往复运动。在移动块12的一个端面固定球铰链14，球铰链14另一侧与支撑杆15固结，可以保证支撑杆15在空间任意角度内转动。支撑杆15的另一侧固结球铰链16，球铰链16与运动工作台2固定连接，这样整个位姿变动的机械能传递到运动工作台2上，可以真实模拟风机增速箱的位姿变动。

如图4所示，本发明所述的主轴载荷模拟平台的结构是：风机主轴4的一端与风机增速箱模型3的锁紧套连接，风机主轴4与主轴轴承5配合，主轴轴承5外圈与主轴轴承座6内孔配合，主轴轴承座6通过螺栓连接与运动工作台2固连。在风机主轴4的输入端面上配合加载圆盘7，加载圆盘7具有导磁性能，材料为锻铁件或高强度铸钢件，可与磁场装置相互作用，产生磁吸引力，模拟轴向载荷和弯矩载荷。在加载圆盘7的上下左右分别布置四个磁场加载装置17、18、19和20，通过对四个磁场加载装置的电流调节控制，可以模拟实际工况的交变弯曲载荷。在加载圆盘靠近风机主轴4的一侧安置两个磁场加载装置21和22，可以模拟实际工况的轴向推力载荷。

如图5所示，本发明所述的磁场加载装置的结构是：圆柱型铁芯24的圆周方向缠绕导线线圈23，并通过PLC控制流经线圈的电流大小，从而达到控制磁场吸引力的大小。

本发明所述试验台的工作过程如下：

将风机增速箱模型3固定在运动工作台2上，一定要保证在模拟风机增速箱模型的空间六自由度位姿时两者之间的连接牢固可靠。在运动工作台2的X、Y、Z三个方向上布置六个位姿加载驱动装置1。

液压站通过伺服控制阀控制六个液压执行元件，正常情况下，液压活塞杆10会推动移动块12做平移运动。一旦移动块12平移向前运动，移动块12上的球铰链14、支撑杆15及球铰链16会连同一起平移向前运动，利用支撑杆15传递的力效果，可以对运动工作台2施加位置变动控制，将此运动控制过程称为位姿加载驱动过程。在试验台的初始状态，即支撑杆15在空间是与运动工作台2平行的，可以保持最佳的传递力状态。因为六个位姿加载驱动装置1并不是同时处于主动施力状态，当位姿加载驱动装置1处于主动施力状态时，此时的支撑杆15是处于最佳传力状态的；当位姿加载驱动装置1处于被动位姿约束状态时，此时的支撑杆15是倾斜状态。

将运动工作台2的末端定义为X轴方向，布置在运动工作台2末端的是位姿加载驱动装置25和位姿加载驱动装置26；将运动工作台2的侧端定义为Y轴方向，布置在运动工作台2侧端的是位姿加载驱动装置27；将运动工作台2的下端定义为Z轴方向，布置在运动工作台2下端的是位姿加载驱动装置28、位姿加载驱动装置29及位姿加载驱动装置30。

当运动工作台2需要X方向的位姿时，只需要控制位姿加载驱动装置25和位姿加载驱动装置26按照所述的位姿加载驱动过程运动即可，但是必须保证位姿加载驱动装置25和位姿加载驱动装置26是同步同向运动。当位姿加载驱动装置25和位姿加载驱动装置26的电机正转，控制运动工作台2在X方向的前进运动；当位姿加载驱动装置25和位姿加载驱动装置26的电机反转，控制运动工作台2在X方向的后退运动。在位姿加载驱动装置25和位姿加载驱动装置26同步同向运动的过程中，位姿加载驱动装置27、位姿加载驱动装置28、位姿加载驱动装置29及位姿加载驱动装置30将处于所述的被动位姿约束状态，它们所对应的支撑杆15将处于倾斜状态。

当运动工作台2需要Y方向的位姿时，只需要控制位姿驱动加载装置27按照所述的位姿加载驱动过程运动即可。当位姿驱动加载装置27的电机正转，控制运动工作台2在Y方向的前进运动；当位姿驱动加载装置27的电机反转，控制运动工作台2在Y方向的后退运动。在位姿加载驱动装置27按照所述的位姿加载驱动过程运动时，位姿加载驱动装置25、位姿加载驱动装置26、位姿加载驱动装置28、位姿加载驱动装置29及位姿加载驱动装置30将处于所述的被动位姿约束状态，它们所对应的支撑杆15将处于倾斜状态。

当运动工作台2需要Z方向的位姿时，只需要控制位姿驱动加载装置28、位姿驱动加载装置29及位姿驱动加载装置30按照所述的位姿加载驱动过程运动即可，但是必须保证位姿驱动加载装置28、位姿驱动加载装置29及位姿驱动加载装置30是同步同向运动。当位姿驱动加载装置28、位姿驱动加载装置29及位姿驱动加载装置30的电机正转，控制运动工作台2在Z方向的前进运动；当位姿驱动加载装置28、位姿驱动加载装置29及位姿驱动加载装置30的电机反转，控制运动工作台2在Z方向的后退运动。在位姿驱动加载装置28、位姿驱动加载装置29及位姿驱动加载装置30同步同向运动的过程中，位姿加载驱动装置25、位姿加载驱动装置26及位姿加载驱动装置27将处于所述的被动位姿约束状态，它们所对应的支撑杆15将处于倾斜状态。

当运动工作台2需要绕X轴转动的位姿时，只需要控制位姿驱动加载装置29、位姿驱动加载装置30按照所述的位姿加载驱动过程运动即可，但是必须保证位姿驱动加载装置29、位姿驱动加载装置30是反向运动。当位姿驱动加载装置29的电机正转或反转，位姿驱动加载装置30的电机反转或正转时，控制运动工作台2绕X轴转动的运动。在位姿驱动加载装置29、位姿驱动加载装置30反向运动的过程中，位姿加载驱动装置25、位姿加载驱动装置26、位姿加载驱动装置27及位姿加载驱动装置28将处于所述的被动位姿约束状态，它们所对应的支撑杆将处于倾斜状态。

当运动工作台2需要绕Y轴转动的位姿时，只需要控制位姿驱动加载装置28、位姿驱动加载装置29及位姿驱动加载装置30按照所述的位姿加载驱动过程运动即可，但是必须保证位姿驱动加载装置29和位姿驱动加载装置30是同步同向运动，位姿驱动加载装置28与位姿驱动加载装置29、位姿驱动加载装置30是反向运动。当位姿驱动加载装置29、位姿驱动加载装置30的电机正转或反转，位姿驱动加载装置28的电机反转或正转时，控制运动工作台2绕Y轴转动的运动。在位姿驱动加载装置28、位姿驱动加载装置29及位姿驱动加载装置30运动的过程中，位姿加载驱动装置25、位姿加载驱动装置26、位姿加载驱动装置27将处于所述的被动位姿约束状态，它们所对应的支撑杆15将处于倾斜状态。

当运动工作台2需要绕Z轴转动的位姿时，只需要控制位姿驱动加载装置25、位姿驱动加载装置26按照所述的位姿加载驱动过程运动即可，但是必须保证位姿驱动加载装置25、位姿驱动加载装置26是反向运动。当位姿驱动加载装置25的电机正转或反转，位姿驱动加载装置26的电机反转或正转时，控制运动工作台2绕Z轴转动的运动。在位姿驱动加载装置25、位姿驱动加载装置26反向运动的过程中，位姿加载驱动装置27、位姿加载驱动装置28、位姿加载驱动装置29及位姿加载驱动装置30将处于所述的被动位姿约束状态，它们所对应的支撑杆15将处于倾斜状态。

如图5所示，当线圈23通电后，铁芯24具有磁性，在其四周会产生磁场，可对加载圆盘7产生吸引力，通过PLC控制对线圈的电流进行调节，模拟主轴所受的交变载荷。

如图4所示，当磁场加载装置21和磁场加载装置22通电后，可对加载圆盘产生吸引力，从而模拟主轴所承受的轴向推力载荷，通过PLC调节控制电流的变化情况，可以真实模拟主轴轴向推力载荷的复杂变化情况。当磁场加载装置17通电后，可以模拟主轴所承受的向上的弯曲载荷；当磁场加载装置18通电后，可以模拟主轴所承受的向下的弯曲载荷；当磁场加载装置19通电后，可以模拟主轴所承受的向左的弯曲载荷；当磁场加载装置20通电后，可以模拟主轴所承受的向右的弯曲载荷；实际工况中，主轴所承受的弯曲载荷是交变的，在试验台模拟环节中，可以通过PLC对每个磁场加载装置的线圈电流分别进行调节，达到模拟交变弯曲载荷的效果。

Claims (4)

1.一种实现位姿控制和主轴加载的风机增速箱试验台，其特征在于，包括位姿模拟平台和主轴载荷模拟平台，其中位姿模拟平台通过六个位姿加载驱动装置模拟试验台在实际风载下的空间六个自由度位移变动；主轴载荷模拟平台由六个磁场加载装置模拟主轴在实际风载下承受的交变弯曲载荷和轴向推力载荷；

所述位姿模拟平台的结构为：多个位姿加载驱动装置（1）分别安装在运动工作台（2）的侧面和底面，风机增速箱模型（3）安装在运动工作台（2）的顶面；位姿加载驱动装置（1）采用3-2-1的布置方式实施位置、姿态的控制，具体位置为：在运动工作台（2）的底面上固连三个位姿加载驱动装置（1），用于克服所述的运动工作台（2）和风机增速箱模型（3）的重力影响；在运动工作台（2）的末端面固连两个位姿加载驱动装置（1），用于模拟风机增速箱在主轴方向的位姿变动；在运动工作台（2）的侧端面固连一个位姿加载驱动装置（1），用于模拟施加风机增速箱机舱侧端的位姿变动；

所述主轴载荷模拟平台的结构为：风机主轴（4）的一端与风机增速箱模型（3）的锁紧套连接，风机主轴（4）的另一端与主轴轴承（5）配合，主轴轴承（5）外圈与主轴轴承座（6）内孔配合，主轴轴承座（6）通过螺栓连接与运动工作台（2）固连；在风机主轴（4）的输入端面上安装加载圆盘（7），加载圆盘（7）具有导磁性能；在加载圆盘（7）的上下左右四个位置分别布置四个磁场加载装置（17）、（18）、（19）和（20），通过对四个磁场加载装置的电流调节控制，模拟实际工况的交变弯曲载荷；在加载圆盘（7）靠近风机主轴（4）的一侧安置两个磁场加载装置（21）和（22），模拟实际工况的轴向推力载荷。

2.根据权利要求1所述的一种实现位姿控制和主轴加载的风机增速箱试验台，其特征在于，所述位姿加载驱动装置（1）的结构为：液压站通过伺服控制阀控制液压执行元件，液压执行元件包括液压缸体（9）和液压活塞杆（10）；在液压缸体（9）的两端固连液压缸盖（11），液压活塞杆（10）一端位于液压缸体（9）内，一端伸出并与移动块（12）固连；液压系统的液压通过液压活塞杆（10）转换为机械能，驱动移动块（12）直线进给运动；移动块（12）两侧的凸台嵌入到支撑台架（13）的线槽中，支撑台架（13）的位置与运动工作台（2）相对固定上，移动块（12）沿着支撑台架（13）的线槽直线往复运动；支撑杆（15）的一端通过球铰链（14）与移动块（12）连接，另一端通过球铰链（16）与运动工作台（2）连接，支撑杆（15）可在空间任意角度内转动，使得整个位姿变动的机械能传递到运动工作台（2）上，真实模拟风机增速箱的位姿变动。

3.根据权利要求1所述的一种实现位姿控制和主轴加载的风机增速箱试验台，其特征在于，所述加载圆盘（7）的材料为锻铁件或高强度铸钢件，加载圆盘（7）与磁场装置相互作用，产生磁吸引力，模拟轴向载荷和弯矩载荷。

4.根据权利要求1所述的一种实现位姿控制和主轴加载的风机增速箱试验台，其特征在于，所述磁场加载装置的结构为：圆柱型铁芯（24）的圆周方向缠绕导线线圈（23），并通过PLC控制流经线圈的电流大小，从而控制磁场吸引力的大小。

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