CN104657544B - 一种风电齿轮箱扭转刚度的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电齿轮箱扭转刚度的确定方法，其步骤为：S1：建立齿轮箱动力学模型，求解齿轮箱扭转刚度的范围区间；S2：建立风机传动链动力学模型，求解风机传动链的扭转刚度；S3：建立简化传动链动力学模型，反推计算以确定齿轮箱的扭转刚度。本发明具有原理简单、易操作、精度高等优点。
Description
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设备的风电齿轮箱扭转刚度的确定方法。
背景技术
在大型旋转机械系统中，传动链的扭振是一个普遍存在的问题。风力发电机正常工作时，由于风载不是恒定的，风速大小和风向实时变化，因此风电机组传动链中传递的扭矩也随机波动的。在非平衡载荷的作用下，柔性传动链很容易出现扭振。严重的扭振可能会导致轴类零件的疲劳损坏，甚至断裂；导致齿轮运转噪声增大，出现齿面点蚀、齿与齿的冲击甚至轮齿断裂；联轴器损坏，表现为弹性元件的过热或碎裂等等。传动链工作过程中，当系统的激励频率与传动链轴系的固有频率接近的时候，其扭转振动的振幅就会迅速增大，从而出现共振现象。零部件发生共振是任何机械装备不允许出现的，共振对机械装备的危害极大，强烈的共振可能直接毁坏设备。风电机组传动链作为风电机组中的传动系统，对其各部件进行扭振共振分析，是非常有必要的。在风力发电机传动链的扭振分析中，必须计算传动链系统的固有频率。
而风力发电机组设计过程很重要的一步也是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。现有风电行业的简单动力学分析基本都是采用BLADED软件建立风机模型，在此基础上进行分析和计算。而BLADED建模过程需要的一个重要参数就是齿轮箱的扭转刚度，计算表明齿轮箱的扭转刚度风机传动链的固有频率影响非常大。因此，较为准确的齿轮箱扭转刚度计算对风机传动链固有频率至关重要。
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、易操作、精度高的一种风电齿轮箱扭转刚度的确定方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种风电齿轮箱扭转刚度的确定方法，其步骤为：
S1：建立齿轮箱动力学模型，求解齿轮箱扭转刚度的范围区间；
S2：建立风机传动链动力学模型，求解风机传动链的扭转刚度；
S3：建立简化传动链动力学模型，反推计算以确定齿轮箱的扭转刚度。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S1的具体流程为：
S101：建立齿轮箱动力学模型；
S102：对齿轮箱动力学模型进行静平衡分析，以求出从轮毂到发电机转子之间的扭转刚度；
S103：求解齿轮箱扭转刚度的范围区间：根据风机的扭矩转速特性曲线分别计算出齿轮箱在切入和切出工况时分别对应的输入Tin和Tout；当计算齿轮箱在切入工况时的扭转刚度，在齿轮箱输入端及行星架上风向端分别施加0.9Tin和1.1Tin的扭矩，两次对模型进行静平衡分析，当最大残余力在10-3以下，则说明系统达到静平衡；对平衡后的模型进行时间积分，分别计算0.9Tin和1.1Tin两种扭矩下轮毂的扭转角αin1和αin2，通过下式计算出齿轮箱切入工况时的扭转刚度Kgin为：
Kgin＝(1.1Tin-0.9Tin)/(αin2-αin1)；
求出齿轮箱切出工况时的扭转刚度Kgout为：
Kgout＝(1.1Tout-0.9Tout)/(αout2-αout1)
所述齿轮箱扭转刚度的范围区间为[Kgin，Kgout]。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S101中利用齿轮箱的所有齿轮相关参数、轴系参数及零部件的三维模型，建立与齿轮箱样机功能相当的虚拟样机。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S102中将齿轮箱动力学模型中的高速级输出轴与大地固接，同时失效三个高速级输出轴轴承。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2的具体流程为：
S201：建立风机传动链动力学模型，所述风机传动链动力学模型为包括风机叶片、轮毂、主轴、主轴承、齿轮箱、弹性支撑、联轴器和发电机在内所有传动系统部件的高精度多体动力学模型；
S202：对风机传动链动力学模型进行静平衡分析；将风机传动链动力学模型中的发电机转子与定子固接，同时失效两个发电机转子轴承；在轮毂中心分别施加T1和T2的扭矩，两次对模型进行静平衡分析，当最大残余力在10-3以下，则说明系统达到静平衡；
S203：对平衡后的模型进行时间积分，分别计算两种扭矩下轮毂的扭转角α1和α2，通过下式计算出轮毂到发电机转子之间的扭转刚度Kr为：
Kr＝(T2-T1)/(α2-α1)。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S3的具体流程为：
S301：设齿轮箱扭转刚度的初始搜索范围区间为[Kgin，Kgout]，风力发电机组轮毂到发电机转子之间的扭转刚度Kr，齿轮箱扭转刚度为Kg，求解过程中的风力发电机组轮毂到发电机转子之间的扭转刚度为Kc；
S302：计算[Kgin，Kgout]的中点Kgc＝(Kgin+Kgout)/2；
S303：若Kc＜Kr，则Kgin＝Kgc，转S304；若Kc＝Kr，则Kg＝Kgc，转S305；若Kc＞Kr，则Kgout＝Kgc，转S304；
S304：若|Kgin-Kgout|＜ε，则Kg＝(Kgin+Kgout)/2，转S305，否则转S302；
S305：输出齿轮箱扭转刚度Kg，结束计算。
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扭转刚度的确定方法，原理简单、易操作、精度高，利用整机动力学的高精度建模优势，分别建立齿轮箱动力学模型、风机传动链详细模型和风机传动链简化模型，通过结果等效的方式，反推得到齿轮箱工作状况下的扭转刚度值。
2、本发明的风电齿轮箱扭转刚度的确定方法，其结果的可靠性和精度与经过试验验证的详细模型一致，为一种更快、更可靠的齿轮箱扭转刚度的求解方法。
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所建立的齿轮箱动力学模型示意图。
图3是本发明在具体应用实例中所建立的风机传动链动力学模型示意图。
图4是本发明在具体应用实例中齿轮箱扭转刚度求解过程示意图。
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。
如图1所示，本发明的一种风电齿轮箱扭转刚度的确定方法，其步骤为：
S1：建立齿轮箱动力学模型，求解齿轮箱扭转刚度的范围区间。
在具体应用实例中，具体流程为：
S101：建立齿轮箱动力学模型，可以为如图2所示的齿轮箱拓扑结构图。利用齿轮箱的所有齿轮相关参数、轴系参数及零部件的三维模型，建立与齿轮箱样机功能相当的虚拟样机。
S102：对齿轮箱动力学模型进行静平衡分析。
静平衡分析的目的是：求出从轮毂到发电机转子之间的扭转刚度。
所谓静平衡就是指速度为零、加速度为零，故将齿轮箱动力学模型中的高速级输出轴与大地固接，以消除之前的旋转自由度；同时，失效三个高速级输出轴轴承。
S103：求解齿轮箱扭转刚度的范围区间：根据风机的扭矩转速特性曲线分别计算出齿轮箱在切入和切出工况时分别对应的输入Tin和Tout。
当计算齿轮箱在切入工况时的扭转刚度，为了消除齿轮初始啮合角的影响，在齿轮箱输入端及行星架上风向端分别施加0.9Tin和1.1Tin的扭矩，两次对模型进行静平衡分析，当最大残余力在10-3以下，则说明系统达到静平衡。对平衡后的模型进行时间积分，分别计算0.9Tin和1.1Tin两种扭矩下轮毂的扭转角αin1和αin2，通过下式计算出齿轮箱切入工况时的扭转刚度Kgin为：
Kgin＝(1.1Tin-0.9Tin)/(αin2-αin1)；
依据同样的方法，可以求出齿轮箱切出工况时的扭转刚度Kgout为：
Kgout＝(1.1Tout-0.9Tout)/(αout2-αout1)
因此，齿轮箱扭转刚度的范围区间为[Kgin，Kgout]。
S2：建立风机传动链动力学模型，求解风机传动链的扭转刚度。
在具体应用实例中，具体流程为：
S201：建立风机传动链动力学模型，可以为如图3所示的风机整机传动系统拓扑结构图。该风机传动链动力学模型为包括风机叶片、轮毂、主轴、主轴承、齿轮箱、弹性支撑、联轴器和发电机等所有传动系统部件的高精度多体动力学模型。
S202：对风机传动链动力学模型进行静平衡分析。
将风机传动链动力学模型中的发电机转子与定子固接，消除之前的旋转自由度；同时，失效两个发电机转子轴承。为了消除齿轮初始啮合角的影响，在轮毂中心分别施加T1和T2的扭矩，两次对模型进行静平衡分析，当最大残余力在10-3以下，则说明系统达到静平衡。
S203：对平衡后的模型进行时间积分，分别计算两种扭矩下轮毂的扭转角α1和α2，通过下式计算出轮毂到发电机转子之间的扭转刚度Kr为：
Kr＝(T2-T1)/(α2-α1)；
S3：建立简化传动链动力学模型，反推计算以确定齿轮箱的扭转刚度。
在步骤S2中建立的风机传动链动力学分析模型基础上针对齿轮箱进行简化，简化到和BLADED模型中一致的齿轮箱模型。即：简化的风机传动链力学模型中的齿轮箱只有输入轴和输出轴，用一种含扭转刚度、传动比等的力元描述输入轴和输出轴的作用力关系，力元中齿轮箱扭转刚度值从第一步计算得到的范围区间值内选取，其他与详细模型一致。
在具体应用实例中，如图4所示，简化的风机传动链力学模型中齿轮箱扭转刚度的取值通过对分法进行，具体流程如下：
S301：设齿轮箱扭转刚度的初始搜索范围区间为[Kgin，Kgout]，风力发电机组轮毂到发电机转子之间的扭转刚度Kr，齿轮箱扭转刚度为Kg，求解过程中的风力发电机组轮毂到发电机转子之间的扭转刚度为Kc；
S302：计算[Kgin，Kgout]的中点Kgc＝(Kgin+Kgout)/2；
S303：若Kc＜Kr，则Kgin＝Kgc，转S304；若Kc＝Kr，则Kg＝Kgc，转S305；若Kc＞Kr，则Kgout＝Kgc，转S304；
S304：若|Kgin-Kgout|＜ε，则Kg＝(Kgin+Kgout)/2，转S305，否则转S302；
S305：输出齿轮箱扭转刚度Kg，结束计算。
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 (2)
1.一种风电齿轮箱扭转刚度的确定方法，其特征在于，步骤为：
S1：建立齿轮箱动力学模型，求解齿轮箱扭转刚度的范围区间；
S2：建立风机传动链动力学模型，求解风机传动链的扭转刚度，即轮毂到发电机转子之间的扭转刚度Kr；
S3：建立简化传动链动力学模型，反推计算以确定齿轮箱的扭转刚度；在步骤S2中建立的风机传动链动力学模型基础上针对齿轮箱进行简化，简化到和BLADED模型中一致的齿轮箱模型；即：简化的风机传动链动力学模型中的齿轮箱只有输入轴和输出轴，用一种含扭转刚度、传动比的力元描述输入轴和输出轴的作用力关系，力元中齿轮箱扭转刚度值从步骤S1计算得到的范围区间值内选取，其他与详细模型一致；
所述步骤S1的具体流程为：
S101：建立齿轮箱动力学模型；
S102：对齿轮箱动力学模型进行静平衡分析；
S103：求解齿轮箱扭转刚度的范围区间：根据风机的扭矩转速特性曲线分别计算出齿轮箱在切入和切出工况时分别对应的输入Tin和Tout；当计算齿轮箱在切入工况时的扭转刚度，在齿轮箱输入端及行星架上风向端分别施加0.9Tin和1.1Tin的扭矩，两次对模型进行静平衡分析，当最大残余力在10-3以下，则说明系统达到静平衡；对平衡后的模型进行时间积分，分别计算0.9Tin和1.1Tin两种扭矩下轮毂的扭转角αin1和αin2，通过下式计算出齿轮箱切入工况时的扭转刚度Kgin为：
Kgin＝(1.1Tin-0.9Tin)/(αin2-αin1)；
求出齿轮箱切出工况时的扭转刚度Kgout为：
Kgout＝(1.1Tout-0.9Tout)/(αout2-αout1)
所述齿轮箱扭转刚度的范围区间为[Kgin，Kgout]；
所述步骤S101中利用齿轮箱的所有齿轮相关参数、轴系参数及零部件的三维模型，建立与齿轮箱样机功能相当的虚拟样机；
所述步骤S2的具体流程为：
S201：建立风机传动链动力学模型，所述风机传动链动力学模型为包括风机叶片、轮毂、主轴、主轴承、齿轮箱、弹性支撑、联轴器和发电机在内所有传动系统部件的高精度多体动力学模型；
S202：对风机传动链动力学模型进行静平衡分析；将风机传动链动力学模型中的发电机转子与定子固接，同时失效两个发电机转子轴承；在轮毂中心分别施加T1和T2的扭矩，两次对模型进行静平衡分析，当最大残余力在10-3以下，则说明系统达到静平衡；
S203：对平衡后的模型进行时间积分，分别计算两种扭矩下轮毂的扭转角α1和α2，通过下式计算出轮毂到发电机转子之间的扭转刚度Kr为：
Kr＝(T2-T1)/(α2-α1)；
所述步骤S3的具体流程为：
S301：设齿轮箱扭转刚度的初始搜索范围区间为[Kgin，Kgout]，风力发电机组轮毂到发电机转子之间的扭转刚度Kr，齿轮箱扭转刚度为Kg，求解过程中的风力发电机组轮毂到发电机转子之间的预设扭转刚度为Kc；
S302：计算[Kgin，Kgout]的中点Kgc＝(Kgin+Kgout)/2；
S303：若Kc＜Kr，则Kgin＝Kgc，转S304；若Kc＝Kr，则Kg＝Kgc，转S305；若Kc＞Kr，则Kgout＝Kgc，转S304；
S304：若|Kgin-Kgout|＜ε，则Kg＝(Kgin+Kgout)/2，转S305；
S305：输出齿轮箱扭转刚度Kg，结束计算。
2.根据权利要求1所述的风电齿轮箱扭转刚度的确定方法，其特征在于，所述步骤S102中将齿轮箱动力学模型中的高速级输出轴与大地固接，同时失效三个高速级输出轴轴承。
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