CN104657543B - 一种风电齿轮箱弹性支撑的选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电齿轮箱弹性支撑的选型方法，其步骤为：S1：根据风机的载荷特性，计算出满足变形、承载和疲劳寿命要求的弹性支撑刚度最小值K₁；S2：建立风机传动链动力学分析简化模型；S3：求解风机传动链的固有频率，得到使风机传动链的固有频率避开叶片的6倍转频的弹性支撑最小刚度K₂；S4：进行弹性支撑减振效果的模拟计算，求出满足齿轮箱减振降噪要求的弹性支撑刚度最小值K₃；S5：选择齿轮箱弹性支撑刚度参数，确定弹性支撑型号。本发明具有原理简单、操作性强、效果好等优点。

Description

一种风电齿轮箱弹性支撑的选型方法

技术领域

本发明主要涉及到风电设备领域，特指一种适用于风电齿轮箱中弹性支撑的选型方法。

背景技术

在风电设备中，齿轮箱弹性支撑是用来支承产生振源的齿轮箱，使其振动不传递到底座。齿轮箱弹性支撑在风力发电机组中起到了减振降噪的作用，此外弹性支撑还要在支承齿轮箱的重量同时兼具齿轮箱在外力作用保持相对位置的功能。因此，弹性支撑的设计必须考虑其刚度、阻尼系数、固有频率等因素。

目前，风电行业对于弹性支撑的选型主要包括以下工作：一、满足弹性支撑与整机装配的机械接口要求；二、进行主要承载方向在极限载荷和疲劳载荷下的变形和疲劳寿命计算；三、考虑风机的实际工作环境，对第二条的相关参数进行试验验证。而弹性支撑对风力发电整机传动链的动力学特性的影响和减振效果缺乏有效的评估方法和手段。

在风力发电机组的设计过程中，很重要的一步为计算传动链的固有频率，通过坎贝尔图中叶片的6倍转频和风机传动链的固有频率是否有交点来判断风机是否存在传动链共振，如有交点应通过参数的调整避开。经验表明，齿轮箱弹性支撑的刚度和阻尼系数对风机传动链的固有频率有着重要的影响。

另外，风力发电机组的齿轮箱振动必须满足ISO 10816和VDI 3834的要求，而弹性支撑的选型是否正确直接影响其减振降噪效果。风电行业目前只有齿轮箱型式试验才能对其振动进行测量和评估，而在设计阶段无法对其减振降噪效果进行分析、计算和评估。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作性强、效果好的风电齿轮箱弹性支撑的选型方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种风电齿轮箱弹性支撑的选型方法，其步骤为：

S1：根据风机的载荷特性，计算出满足变形、承载和疲劳寿命要求的弹性支撑刚度最小值K₁；

S2：建立风机传动链动力学分析简化模型；

S3：求解风机传动链的固有频率，得到使风机传动链的固有频率避开叶片的6倍转频的弹性支撑最小刚度K₂；

S4：进行弹性支撑减振效果的模拟计算，求出满足齿轮箱减振降噪要求的弹性支撑刚度最小值K₃；

S5：选择齿轮箱弹性支撑刚度参数，确定弹性支撑型号。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中的风机传动链动力学分析简化模型为包括风机叶片、轮毂、主轴、主轴承、齿轮箱、弹性支撑、联轴器和发电机的多体动力学模型。

作为本发明的进一步改进：所述多体动力学模型中，轮毂、主轴、联轴器、发电机转子和定子均用刚体表示，只输入质量属性；所述主轴承考虑旋转方向的六个自由度，齿轮箱只考虑输入轴、输出轴和箱体，输入输出关系通过增速比和齿轮箱扭转刚度参数描述；联轴器分成三个或四个体考虑，体与体之间的连接只考虑扭转方向的刚度和阻尼；弹性支承按照弹簧阻尼力元来处理。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S1的过程为：

依据风力发电机组的设计参数、传动链布局特点和弹性支撑的布局特点，得到弹性支撑的等效疲劳载荷和极限载荷；并根据弹性支撑的弹性变形和名义应变的设计要求，求出满足要求的弹性支撑刚度最小值K₁。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S3的具体流程为：

S301：动平衡计算；在建立的风机传动链动力学分析简化模型基础上，在轮毂中心施加额定下状态的驱动扭矩，进行动平衡计算；动平衡计算是模型在驱动扭矩作用下，首先经历加速运动的过程，然后慢慢达到匀速运动，从发电机转子的旋转速度来判断；

S302：模态计算；在动平衡计算完成后，再对模型进行模态计算；根据模型的振动特点，选出风机传动链的第一阶固有频率；

如果风机传动链的第一阶固有频率小于叶片的6倍转频，则增加弹性支撑刚度，通过反复计算得到风机传动链的第一阶固有频率大于叶片的6倍转频所需的齿轮箱弹性支撑刚度最小值K₂；

如果风机传动链的第一阶固有频率高于叶片的6倍转频，则适当减小弹性支撑刚度，通过反复计算得到风机传动链的第一阶固有频率约等于叶片的6倍转频所需的齿轮箱弹性支撑刚度最小值K₂；

如果风机传动链的第一阶固有频率等于叶片的6倍转频，则此时的齿轮箱弹性支撑刚度对应其最小值K₂。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S4的具体流程为：

S401：在建立的风机传动链动力学分析简化模型基础上，把齿轮箱箱体用柔性体代替，并在箱体上建立虚拟传感器，虚拟传感器测量该点六个方向的位移、速度、加速度；

S402：进行额定状态下的动平衡计算；当模型达到动平衡时，即风机处于稳定额定转速下的工作状况，再进行一定时间的积分运算，提出此积分运算过程中各虚拟传感器的测量数据，找出弹性支撑刚度最大值K₃。

作为本发明的进一步改进：，所述步骤S5的具体流程为：

S501：先比较步骤S1和步骤S3所求出的刚度值K₁和K₂，选出其中较大值和K₃求平均值，求得的平均值即可作为齿轮箱弹性支撑刚度参数的最佳取值；

S502：根据机械接口要求确定弹性支撑的外形要求和尺寸，注弹性衬套的固有频率应小于齿轮箱的最小啮合频率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的风电齿轮箱弹性支撑的选型方法，原理简单、操作性强、效果好，从风力发电机组整机设计的角度，对齿轮箱弹性支撑的刚度提出要求，利用多体动力学理论对参数的适应性进行评估，为齿轮箱弹性支撑的动力学要求提供了评估的方法和手段。

(2)本发明的风电齿轮箱弹性支撑的选型方法，利用计算和仿真的手段对齿轮箱弹性支撑的减振降噪功能进行评估，为弹性支撑的减振降噪功能实现提供了保证。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中建立的风机传动链动力学分析简化模型示意图。

图3是本发明在具体应用实例中齿轮箱上虚拟传感器的布置示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

弹性支撑选型的关键参数是刚度。弹性支撑的选型主要考虑以下几点：一、弹性支撑的刚度和阻尼系数，刚度主要用来校核其承载和变形特性，这是目前风电行业选型的主要依据；二、与整机的机械接口，据此来设计弹性支撑的外形尺寸；三、弹性支撑对风力发电整机传动链的动力学特性的影响；四、弹性支撑的减振效果。本发明的一种风电齿轮箱弹性支撑的选型方法，主要针对上述第三、四两点，考虑弹性支撑与整机参数的匹配性及减振效果方面对风电齿轮箱弹性支撑选型进行全面的评估和选择。

如图1所示，本发明的一种风电齿轮箱弹性支撑的选型方法，具体步骤为：

S1：根据风机的载荷特性，计算出满足变形、承载和疲劳寿命要求的弹性支撑刚度最小值K₁。

在具体实施例中，是依据风力发电机组的设计参数、传动链布局特点和弹性支撑的布局特点，得到弹性支撑的等效疲劳载荷和极限载荷；并根据弹性支撑的弹性变形和名义应变的设计要求，求出满足要求的弹性支撑刚度最小值K₁。

S2：建立风机传动链动力学分析简化模型。

在具体实施例中，如图1所示，可根据实际需要建立风机整机传动系统拓扑结构图。即，建立包括风机叶片、轮毂、主轴、主轴承、齿轮箱、弹性支撑、联轴器和发电机等关键传动系统部件简化的多体动力学模型。

在上述多体动力学模型中，轮毂、主轴、联轴器、发电机转子和定子等均用刚体表示，只输入其质量、转动惯量等质量属性即可。主轴承应考虑旋转方向的六个自由度，图中的FE41通过输入轴承刚度矩阵值描述主轴承特性。齿轮箱只考虑输入、输出轴和箱体，输入输出关系通过增速比和齿轮箱扭转刚度等参数描述。联轴器一般根据设计特点分成三个或四个体考虑，体与体之间的连接只考虑扭转方向的刚度和阻尼，由设计参数提供；

在上述多体动力学模型中，弹性支承按照弹簧阻尼力元来处理。其中，阻尼的计算过程如下：

(1)求等效质量m_eq：

上式中：I是旋转部件的转动惯量，r是回转半径。

(2)求阻尼值d：

上式中：D是阻尼系数，K是弹簧的刚度，n是弹簧的个数。

整个齿轮箱的转动惯量按下式计算，包括叶片、主轴、轮毂和齿轮箱：

I₁＝I_blades+I_mainshaft+I_hub+I_gearbox

上式中：I_blades为叶片的转动惯量，I_mainshaft为主轴的转动惯量，I_hub为轮毂的转动惯量，I_gearbox为齿轮箱的转动惯量。

发电机的转动惯量则按下式计算，包括发电机的转子和定子系：

I₂＝I_ge-rotor+I_ge-shell

上式中：I_ge-rotor为发电机的转子系的转动惯量，I_ge-shell为发电机的定子系的转动惯量。

S3：根据步骤S2中建立的多体动力学模型，求解风机传动链的固有频率，得到使风机传动链的固有频率避开叶片的6倍转频的弹性支撑最小刚度K₂。

具体流程为：

S301：动平衡计算；在步骤S2建立的风机传动链动力学分析简化模型基础上，在轮毂中心施加额定下状态的驱动扭矩，进行动平衡计算。动平衡计算是模型在驱动扭矩作用下，首先经历加速运动的过程，然后慢慢达到匀速运动，此时可以从发电机转子的旋转速度来判断；一般当发电机转子速度波动在小数点后两位数时，认为此时模型达到动平衡。

S302：模态计算；在动平衡计算完成后，再对模型进行模态计算。根据模型的振动特点，选出风机传动链的第一阶固有频率。

如果风机传动链的第一阶固有频率小于叶片的6倍转频，则增加弹性支撑刚度，通过反复计算得到风机传动链的第一阶固有频率大于叶片的6倍转频所需的齿轮箱弹性支撑刚度最小值K₂。

如果风机传动链的第一阶固有频率高于叶片的6倍转频，则适当减小弹性支撑刚度，通过反复计算得到风机传动链的第一阶固有频率约等于叶片的6倍转频所需的齿轮箱弹性支撑刚度最小值K₂。

如果风机传动链的第一阶固有频率等于叶片的6倍转频，则此时的齿轮箱弹性支撑刚度对应其最小值K₂。

S4：进行弹性支撑减振效果的模拟计算，求出满足齿轮箱减振降噪要求的弹性支撑刚度最小值K₃。

具体流程为：

S401：在步骤S2建立的风机传动链动力学分析简化模型基础上，把齿轮箱箱体用柔性体代替，并在箱体上建立虚拟传感器，虚拟传感器可以测量该点六个方向的位移、速度、加速度，如图3所示。图3所示的齿轮箱为一级行星加两级平行结构，分别在一级内齿圈、中间级大齿轮、高速级齿轮、高速输入和输出轴承处布置了传感器，可以全面测量齿轮箱的振动情况。

S402：进行额定状态下的动平衡计算；当模型达到动平衡时，即风机处于稳定额定转速下的工作状况，再进行一定时间的积分运算，提出此积分运算过程中各虚拟传感器的测量数据，找出满足ISO 10816和VDI 3834要求的弹性支撑刚度最大值K₃。

S5：选择齿轮箱弹性支撑刚度参数，确定弹性支撑型号。

具体流程为：

S501：先比较步骤S1和步骤S3所求出的刚度值K₁和K₂，选出其中较大值和K₃求平均值，求得的平均值即可作为齿轮箱弹性支撑刚度参数的最佳取值。

S502：根据机械接口要求确定弹性支撑的外形要求和尺寸，注弹性衬套的固有频率应小于齿轮箱的最小啮合频率，以保证不会引起齿轮箱和弹性支撑的共振，至此符合风力发电机组要求的弹性支撑型号已确定。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种风电齿轮箱弹性支撑的选型方法，其特征在于，步骤为：

S1：根据风机的载荷特性，计算出满足变形、承载和疲劳寿命要求的弹性支撑刚度最小值K₁；

S2：建立风机传动链动力学分析简化模型；

S3：求解风机传动链的固有频率，得到使风机传动链的固有频率避开叶片的6倍转频的弹性支撑最小刚度K₂；

S4：进行弹性支撑减振效果的模拟计算，求出满足齿轮箱减振降噪要求的弹性支撑刚度最小值K₃；

S5：选择齿轮箱弹性支撑刚度参数，确定弹性支撑型号；

S501：先比较步骤S1和步骤S3所求出的刚度值K₁和K₂，选出其中较大值和K₃求平均值，求得的平均值即可作为齿轮箱弹性支撑刚度参数的最佳取值；

S502：根据机械接口要求确定弹性支撑的外形要求和尺寸，弹性衬套的固有频率应小于齿轮箱的最小啮合频率。

2.根据权利要求1所述的风电齿轮箱弹性支撑的选型方法，其特征在于，所述步骤S2中的风机传动链动力学分析简化模型为包括风机叶片、轮毂、主轴、主轴承、齿轮箱、弹性支撑、联轴器和发电机的多体动力学模型。

3.根据权利要求2所述的风电齿轮箱弹性支撑的选型方法，其特征在于，所述多体动力学模型中，轮毂、主轴、联轴器、发电机转子和定子均用刚体表示，只输入质量属性；所述主轴承考虑旋转方向的六个自由度，齿轮箱只考虑输入轴、输出轴和箱体，输入输出关系通过增速比和齿轮箱扭转刚度参数描述；联轴器分成三个或四个体考虑，体与体之间的连接只考虑扭转方向的刚度和阻尼；弹性支承按照弹簧阻尼力元来处理。

4.根据权利要求1或2或3所述的风电齿轮箱弹性支撑的选型方法，其特征在于，所述步骤S1的过程为：

依据风力发电机组的设计参数、传动链布局特点和弹性支撑的布局特点，得到弹性支撑的等效疲劳载荷和极限载荷；并根据弹性支撑的弹性变形和名义应变的设计要求，求出满足要求的弹性支撑刚度最小值K₁。

5.根据权利要求1或2或3所述的风电齿轮箱弹性支撑的选型方法，其特征在于，所述步骤S3的具体流程为：

S301：动平衡计算；在建立的风机传动链动力学分析简化模型基础上，在轮毂中心施加额定状态下的驱动扭矩，进行动平衡计算；动平衡计算是模型在驱动扭矩作用下，首先经历加速运动的过程，然后慢慢达到匀速运动，从发电机转子的旋转速度来判断；

S302：模态计算；在动平衡计算完成后，再对模型进行模态计算；根据模型的振动特点，选出风机传动链的第一阶固有频率；

如果风机传动链的第一阶固有频率小于叶片的6倍转频，则增加弹性支撑刚度，通过反复计算得到风机传动链的第一阶固有频率大于叶片的6倍转频所需的齿轮箱弹性支撑刚度最小值K₂；

如果风机传动链的第一阶固有频率高于叶片的6倍转频，则适当减小弹性支撑刚度，通过反复计算得到风机传动链的第一阶固有频率约等于叶片的6倍转频所需的齿轮箱弹性支撑刚度最小值K₂；

如果风机传动链的第一阶固有频率等于叶片的6倍转频，则此时的齿轮箱弹性支撑刚度对应其最小值K₂。