CN104048826A - 一种风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置及方法，该装置包括在基础台架上分两组、每组三个的方式安装的六个可受控伸缩的作动臂，两组作动臂两端分别以球形铰接的方式与固定在基础台架上的支座以及主轴的前轴承座和后轴承座固联；主传动轴的一端与提供主扭矩的主电动机连接，另一端与试验用增速齿轮箱连接，还包括与主电动机和六个作动臂连接的中央控制单元，输入的模拟载荷包括主扭矩和主转动与非扭转载荷两个独立部分，模拟载荷输入中央控制单元后，由其向主电动机和六个作动臂分别发送执行运动及作用力的指令，以实现风电传动系统的多向交变载荷的模拟加载；较完整的模拟实际高空安装的风力发电设备传动链所承受的扭转、冲击、弯曲载荷。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电装备传动系统技术领域，具体涉及一种风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置及方法。
背景技术
为深入研究风电传动链关键零部件的结构设计及制造参数等对其可靠性的影响机理，必须开展复杂载荷条件下的风电传动链性能试验研究。由于风力发电设备安装运行的特殊性，在高空旷野中进行真实工况的风备传动系统运行试验非常困难。因此，实验室级的风电传动链模拟试验是当前传动链科学试验研究的主要技术手段，对于我们理解传动链零部件的设计制造技术参数对其技术性能及可靠性的影响关系，并发展高性能传动链零部件的设计制造技术具有不可替代的作用。风载的最大特殊性就在于其无规律交变的特点，因此，交变风载下关键传动零部件的损伤、疲劳的演化过程及结构失效的发展规律都有着突出的特殊性。但常用的风电传动链模拟实验装置大多只能加载主扭转载荷，无法模拟主扭矩之外的多种类型、多方向的载荷——包括叶轮在风载作用下对传动链的轴向冲击，以及在偏航及变桨过程中特别突出的水平、竖直方向上的弯矩，远达不到进行深入的设计制造、结构性能科学研究的要求，极大地限制了风电传动系统的实验研究工作及其相关研究结果的准确性、可用性。因此，设计研发能够实现多向交变风载模拟的试验装置，对于开展风电传动链可靠性研究、设计制造技术研究等都有着极其重要的科学意义。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置及方法，与提供主扭转力矩的主电动机进行协调工作，能够进行扭转、冲击、弯曲载荷的加载，使本发明试验装置更真实地模拟实际高空安装的风力发电设备传动链的所承受的多向交变载荷，从而为风电传动系统原理试验研究，为风机传动链上的零部件载荷、运动学及动力学特性研究，为传动链的可靠性研究提供关键工具，也能够进一步为风电传动系统的结构设计与制造工艺等技术研究工作提供更准确、可靠的实验依据。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置，包括在基础台架1上分为两组、每组三个的方式安装的六个可受控伸缩的作动臂3，所述两组作动臂3一端分别以球形铰接的方式与固定在基础台架1上的支座2连接，另一端也分别以球形铰接的方式与主轴的前轴承座4和后轴承座6固联，主传动轴5的两端分别通过轴承固定在前轴承座4和后轴承座6上，所述主传动轴5的一端与为所述多向交变载荷模拟试验装置提供主扭矩的主电动机通过联轴节连接，另一端与试验用增速齿轮箱直接连接，还包括与提供主扭矩的主电动机和六个作动臂3连接的中央控制单元7，输入的模拟载荷包括主扭矩和主转动与非扭转载荷两个独立部分，模拟载荷输入中央控制单元7后，由中央控制单元7向主电动机和六个作动臂3分别发送执行运动及作用力的指令，以实现风电传动系统的多向交变载荷的模拟加载。
所述中央控制单元7由一台中控计算机、中心液压泵站和相应的传感、通讯和控制系统组成。
所述主电动机带有减速装置，以达到模拟低速、大扭矩风载的要求。
所述主电动机输入给主传动轴5的转速在10～25转/分钟范围内。
上述所述风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置对风电传动系统进行模拟加载的方法，包括如下步骤：
步骤1：用于风电传动系统运行模拟的载荷数据分为两个独立部分：①主扭矩与主转动，②非扭转载荷，其中，非扭转载荷主要包括轴向载荷、水平面上弯矩及竖直面上弯矩；
步骤2：上述输入载荷数据具体表征为：主扭矩的力矩-时间曲线，主转动的角速度-时间曲线，轴向载荷的力-时间曲线，水平面上弯矩的力矩-时间曲线和竖直面上弯矩的力矩-时间曲线，输入中央控制单元7后，由中央控制单元7向主电动机和六个作动臂3分别发送执行运动及作用力的指令；
步骤3：主扭矩的力矩-时间曲线与主转动的角速度-时间曲线分别由中央控制单元7向主电动机发送执行；
步骤4：在非扭转载荷部分，轴向载荷的力-时间曲线、水平面上弯矩的力矩-时间曲线及竖直面上弯矩的力矩-时间曲线通过中央控制单元7向两组六个作动臂3分别发送力-时间曲线的方式执行；根据理论力学空间汇交力系的作用规律，两组六个作动臂3根据指令执行的作用力的叠加，体现为非扭转载荷的力和力矩作用；
步骤5：主电动机加载的主扭转力矩与两组六个作动臂3执行的非扭转载荷的作用的叠加，体现为风电传动系统经由主轴所承受的模拟多向交变风载荷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明非扭矩载荷模拟加载装置是一个多自由度运动机构，安装在风电传动链主传动轴上并与主电动机进行协调工作，能够进行多向交变载荷的模拟加载。使风电传动链运行模拟实验台更真实地模拟实际高空安装的风力发电设备传动链所承受的多向交变载荷。为风电传动系统的原理试验、结构设计与制造工艺等研究提供更准确、可靠的实验依据。
总之，本发明装置能够极大地增强风电传动链运行模拟试验台的载荷模拟能力，向传动链提供更加逼真的多向交变风载。对深入地开展风电传动链模拟实验研究工作是一个极大的促进。
附图说明
图1是本发明实施例模拟试验装置的具体结构示意图。
图2是安装了本发明实施例模拟试验装置的风电传动系统运行模拟实验台的结构示意图。
图3是六个作动臂上的作用力基于空间汇交力系作用原理进行叠加分析的示意图。
图4是主轴两端(A、B)上的作用力分别合成为轴向载荷(图4a)、水平面上的弯矩(图4b)及竖直面上的弯矩(图4c)的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置，包括在基础台架1上分两组、每组三个的方式安装的六个可受控伸缩的作动臂3，所述两组作动臂3一端分别以球形铰接的方式与固定在基础台架1上的支座2连接，另一端也分别以球形铰接的方式与主轴的前轴承座4和后轴承座6固联，主传动轴5的两端分别通过轴承固定在前轴承座4和后轴承座6上，所述主传动轴5的一端与为所述多向交变载荷模拟试验装置提供主扭矩的主电动机通过联轴节连接，另一端与试验用增速齿轮箱直接连接，还包括与提供主扭矩的主电动机和六个作动臂3连接的中央控制单元7，输入的模拟载荷包括主扭矩和主转动与非扭转载荷两个独立部分，模拟载荷输入中央控制单元7后，由中央控制单元7向主电动机和六个作动臂3分别发送执行运动及作用力的指令，以实现风电传动系统的多向交变载荷的模拟加载。
作为本发明的优选实施方式，所述中央控制单元7由一台中控计算机、中心液压泵站和相应的传感、通讯和控制系统组成。
作为本发明的优选实施方式，所述主电动机带有减速装置，以达到模拟低速、大扭矩风载的要求。
作为本发明的优选实施方式，所述主电动机输入给主传动轴5的转速在10～25转/分钟范围内。
上述所述风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置对风电传动系统进行模拟加载的方法，包括如下步骤：
步骤1：用于风电传动系统运行模拟的载荷数据分为两个独立部分：①主扭矩与主转动，②非扭转载荷，其中，非扭转载荷主要包括轴向载荷、水平面上弯矩及竖直面上弯矩；
步骤2：上述输入载荷数据具体表征为：主扭矩的力矩-时间曲线，主转动的角速度-时间曲线，轴向载荷的力-时间曲线，水平面上弯矩的力矩-时间曲线和竖直面上弯矩的力矩-时间曲线，输入中央控制单元7后，由中央控制单元7向主电动机和六个作动臂3分别发送执行运动及作用力的指令；
步骤3：主扭矩的力矩-时间曲线与主转动的角速度-时间曲线分别由中央控制单元7向主电动机发送执行；
步骤4：在非扭转载荷部分，轴向载荷的力-时间曲线、水平面上弯矩的力矩-时间曲线及竖直面上弯矩的力矩-时间曲线通过中央控制单元7向两组六个作动臂3分别发送力-时间曲线的方式执行；具体执行时，根据理论力学空间交汇力系的作用规律，将输入载荷分解为两组六个伸缩作动臂上应加载的作用力，再加以执行。图3所示实施例反映了主轴一端三个伸缩作动臂的作用力之间的叠加作用：作动臂1arm位于沿轴向的竖直面内，而另外两个作动臂2arm和3arm对称分布于沿端面的竖直面内；作动臂1arm的作用力可以分解为Y轴方向的分量F1y和Z轴方向的分量F1z，F1y可以进一步分解到作动臂2arm和3arm的作用力F2和F3的方向上去成为F1y-2和F1y-3，并能够与F2和F3进行直接合成；因此，通过合理配置三个作动臂1arm、2arm和3arm上的作用力F1、F2和F3的大小，就可以在主轴的A端叠加出一个合力FA；同理在主轴的B端也可以通过配置三个作动臂的作用力叠加一个合力FB；而主轴上的非扭转载荷如轴向载荷、水平面上弯矩及竖直面上弯矩都可以通过FA与FB的综合作用予以实现——如图4所示，1)为合成后的轴向载荷，2)为合成后的水平面上弯矩，3)为合成后的竖直面上弯矩；
步骤5：主电动机加载的主扭转力矩与两组六个作动臂3执行的非扭转载荷的作用的叠加，体现为风电传动系统经由主轴所承受的模拟多向交变风载荷。
Claims (5)
1.一种风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置，其特征在于：包括在基础台架(1)上分为两组、每组三个的方式安装的六个可受控伸缩的作动臂(3)，所述两组作动臂(3)一端分别以球形铰接的方式与固定在基础台架(1)上的支座(2)连接，另一端也分别以球形铰接的方式与主轴的前轴承座(4)和后轴承座(6)固联，主传动轴(5)的两端分别通过轴承固定在前轴承座(4)和后轴承座(6)上，所述主传动轴(5)的一端与为所述多向交变载荷模拟试验装置提供主扭矩的主电动机通过联轴节连接，另一端与试验用增速齿轮箱直接连接，还包括与提供主扭矩的主电动机和六个作动臂(3)连接的中央控制单元(7)，输入的模拟载荷包括主扭矩和主转动与非扭转载荷两个独立部分，模拟载荷输入中央控制单元(7)后，由中央控制单元(7)向主电动机和六个作动臂(3)分别发送执行运动及作用力的指令，以实现风电传动系统的多向交变载荷的模拟加载。
2.根据权利要求1所述的一种风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置，其特征在于：所述中央控制单元(7)由一台中控计算机、中心液压泵站和相应的传感、通讯和控制系统组成。
3.根据权利要求1所述的一种风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置，其特征在于：所述主电动机带有减速装置，以达到模拟低速、大扭矩风载的要求。
4.根据权利要求1所述的一种风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置，其特征在于：所述主电动机输入给主传动轴(5)的转速在10～25转/分钟范围内。
5.权利要求1所述风电传动系统的多向交变载荷模拟试验装置对风电传动系统进行模拟加载的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：用于风电传动系统运行模拟的载荷数据分为两个独立部分：①主扭矩与主转动，②非扭转载荷，其中，非扭转载荷主要包括轴向载荷、水平面上弯矩及竖直面上弯矩；
步骤2：上述输入载荷数据具体表征为：主扭矩的力矩-时间曲线，主转动的角速度-时间曲线，轴向载荷的力-时间曲线，水平面上弯矩的力矩-时间曲线和竖直面上弯矩的力矩-时间曲线，输入中央控制单元(7)后，由中央控制单元(7)向主电动机和六个作动臂(3)分别发送执行运动及作用力的指令；
步骤3：主扭矩的力矩-时间曲线与主转动的角速度-时间曲线分别由中央控制单元7向主电动机发送执行；
步骤4：在非扭转载荷部分，轴向载荷的力-时间曲线、水平面上弯矩的力矩-时间曲线及竖直面上弯矩的力矩-时间曲线通过中央控制单元(7)向两组六个作动臂(3)分别发送力-时间曲线的方式执行；根据理论力学空间汇交力系的作用规律，两组六个作动臂(3)根据指令执行的作用力的叠加，体现为非扭转载荷的力和力矩作用；
步骤5：主电动机加载的主扭转力矩与两组六个作动臂(3)执行的非扭转载荷的作用的叠加，体现为风电传动系统经由主轴所承受的模拟多向交变风载荷。
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