CN104729851B - 一种风力机行星齿轮复杂工况的模拟及测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力机行星齿轮复杂工况的模拟及测试装置，属于机械设计及机械动力学领域。该装置包括平板底座、电机控制器及伺服电机、两个膜片联轴器、电涡流传感器组件、信号采集器、加速度传感器组件、磁粉制动器控制器及磁粉制动器、振动台；电机输出轴通过第一膜片联轴器与待模拟行星齿轮输入轴相连，行星齿轮输出轴通过第二膜片联轴器与磁粉制动器相连；各部件均固定在平板底座上；信号采集器分别通过信号线与电涡流传感器组件、速度传感器组件相连；电涡流传感器组件设置在输入轴测试平面上及输出轴测试平面上，速度传感器组件设置在行星齿轮箱体测试平面上。该装置结构简单、对风力机行星齿轮复杂工况模拟精度高。

Description

一种风力机行星齿轮复杂工况的模拟及测试装置

技术领域

本发明属于机械设计及机械动力学领域，特别涉及一种风力机行星齿轮复杂工况的模拟及测试装置结构设计。

背景技术

日益严重的能源危机和环境污染，我国对清洁能源的需求十分迫切。风力发电因技术可靠性、风电产品质量的提高和成本优势获得广泛关注，近年来得到快速发展。2014年年底，我国风电装机容量将超过9000万千瓦，年发电量达到1750亿千瓦时。

风力机齿轮箱位于叶轮和发电机之间，是水平轴风力发电机组的关键部件，将叶轮受风力作用旋转产生的动力传递给发电机发电，同时将叶轮输入的较低转速转变为满足发电机所需的转速，是一种在高空支架状态受无规律变向风载作用的低速、重载、增速齿轮箱。齿轮箱可靠性的高低及动力学特性的优劣直接决定着风力发电机能否正常工作。国标要求风力机可靠运行20年，但运行实际情况远低于国标标准。目前常用的兆瓦级风力机齿轮箱由一级行星齿轮和两级平行轴齿轮传动构成。与平行轴齿轮相比，行星齿轮传动具有结构紧凑、体积小、传动比大和传动效率高等优势，但在设计维护方面也存在更多问题。行星齿轮同时存在内、外啮合，结构复杂，自由度多。风力机齿轮箱高空悬支，塔架在风载作用下发生弯曲振动。对于行星齿轮而言，即为外加的平动位移激励和摆动位移激励。风速的时变性使得行星齿轮的输入转速和输入转矩均为时变。转速和转矩变化、塔架弯曲振动带来的位移激励等复杂工况使得行星齿轮的振动和噪声问题一直没有得到很好的解决，行星齿轮故障是风力机齿轮箱的主要故障之一。

恶劣的运行环境和维修维护的不便，对风力发电机行星齿轮的可靠性和动力学特性提出了很高的要求。因此，在风力发电机行星齿轮的设计阶段需充分考虑行星齿轮实际复杂工况的影响，通过模拟试验评估行星齿轮设计优劣，进而达到不断优化设计的目的。因此，很有必要提出一种风力机行星齿轮复杂工况的模拟及测试装置。

发明内容

本发明的目的是为模拟风力机行星齿轮箱变转速、变转矩和位移激励的复杂工况，评估行星齿轮箱在复杂工况下的动力学性能，克服现有模拟装置不足，提供一种风力机行星齿轮复杂工况的模拟及测试装置，具有结构简单、对风力机行星齿轮复杂工况模拟精度高的特点。

本发明采用的技术方案是：

一种风力机行星齿轮复杂工况模拟及测试装置，该装置用于对风力机行星齿轮变转速、变扭矩和外部位移激励的模拟，及对行星齿轮输入轴、行星齿轮箱、行星齿轮输出轴的振动测试，其特征在于，装置包括平板底座、电机控制器及伺服电机、两个膜片联轴器、电涡流传感器组件、信号采集器、加速度传感器组件、磁粉制动器控制器及磁粉制动器、振动台；连接关系为：伺服电机通过信号线与电机控制器相连，电机输出轴通过第一膜片联轴器与待模拟行星齿轮输入轴相连，行星齿轮输出轴通过第二膜片联轴器与磁粉制动器相连，磁粉制动器通过信号线与磁粉制动器控制器相连；伺服电机、行星齿轮箱、和磁粉制动器均固定在平板底座的上表面上，振动台安装在平板底座中部(具体位置可根据试验需要进行改变)的下方，并与平板底座下表面接触，构成完整的模拟风力机行星齿轮复杂工况的传动系统；

所述装置还包括设置在输入轴的横截面的输入轴测试平面、设置在行星齿轮箱体的横截面行星齿轮箱体测试平面及设置在输出轴的横截面处输出轴测试平面；所述信号采集器分别通过信号线与电涡流传感器组件、速度传感器组件相连；电涡流传感器组件设置在输入轴测试平面上及输出轴测试平面上，速度传感器组件设置在行星齿轮箱体测试平面上。

本发明的有益效果是：

1、本发明的风力机行星齿轮箱复杂工况的模拟及模拟装置充分考虑转速和转矩变化、塔架振动引起的位移激励对行星齿轮箱动力学性能影响，能较为全面地模拟风力机行星齿轮箱变转速、变转矩和外部位移激励的复杂运行工况；

2、本发明的风力机行星齿轮箱复杂工况的模拟及测试装置采用可拆分式底座，将行星齿轮箱的平移运动和摆动在同一套装置中实现，同时转轴位置可变，装置灵活简便；

3、本发明的风力机行星齿轮箱复杂工况的模拟及测试装置同时采用加速度传感器测量箱体振动和电涡流传感器测量输入、输出轴的径向振动位移，全面反映行星齿轮箱振动情况，通过动力学测试评估设计的优劣，达到优化设计，降低成本的目的。

附图说明

图1为本发明一种风力机行星齿轮箱复杂工况的模拟及测试装置实施例1的立体结构示意图。

图2为本发明一种风力机行星齿轮箱复杂工况的模拟及测试装置实施例的输入、输出轴电涡流传感器安装示意图。

图3为本发明一种风力机行星齿轮箱复杂工况的模拟及测试装置实施例的行星齿轮加速度传感器安装示意图。

图4为本发明一种风力机行星齿轮箱复杂工况的模拟及测试装置实施例2的立体结构示意图。

图5为本发明一种风力机行星齿轮箱复杂工况的模拟及测试装置实施例2的底座结构的示意图。

图6为本发明一种风力机行星齿轮箱复杂工况的模拟及测试装置实施例2的底座转轴结构的示意图。

图中标号说明：

1	平板底座	11	行星轮输出轴	93	行星架
						2	电机控制器	12	磁粉制动器控制器	94	太阳轮
3	伺服电机	13	磁粉制动器	100	底座
						4	膜片联轴器	14	激振杆	101	支撑架
5	行星齿轮输入轴	15	振动台	102	轴承
						6	输入轴测试平面	60	电涡流传感器	103	转轴
7	信号采集器	61	电涡流传感器支架	1030	圆轴段
						8	行星齿轮箱测试平面	90	加速度传感器	1031	连接块
9	行星齿轮箱	91	内齿圈	1032	固定板
						10	输出轴测试平面	92	行星轮

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对发明的技术方案做进一步说明如下：

本发明的风力机行星齿轮复杂工况模拟及测试装置的实施例1组成结构如图1所示，本实施例中风力机行星齿轮的输入轴5、行星齿轮箱9及行星齿轮输出轴11为待模拟及测试的部件，模拟及测试装置包括一个平板底座1、一个电机控制器2、一个伺服电机3、两个膜片联轴器4、电涡流传感器组件、一个信号采集器7、加速度传感器组件、一个磁粉制动器控制器12、一个磁粉制动器13、一个振动台15；本装置各部件的连接关系为：伺服电机3通过信号线与电机控制器2相连，电机输出轴通过第一膜片联轴器4与待模拟行星齿轮输入轴5相连，行星齿轮输出轴11通过第二膜片联轴器4与磁粉制动器13相连，磁粉制动器13通过信号线与磁粉制动器控制器12相连；伺服电机3、行星齿轮箱9、和磁粉制动器13均固定在底座1的上表面上，振动台15安装在底座1中部的下方，并与底座下表面接触，构成完整的模拟风力机行星齿轮的传动系统；

本实施例有三个测试平面，分别为输入轴测试平面6、行星齿轮箱体测试平面8及输出轴测试平面10；三个测试平面分别设置在输入轴5的横截面，行星齿轮箱体9的横截面及输出轴11的横截面处，所述一个信号采集器7分别通过信号线与电涡流传感器组件、速度传感器组件相连，电涡流传感器组件设置在输入轴测试平面6上及输出轴测试平面10上，速度传感器组件设置在行星齿轮箱体测试平面8上。

本实施例的各部件具体实施方式分别说明如下：

本实施例的电涡流传感器组件包括结构相同的两组部件，分别设置在输入轴测试平面6上及输出轴测试平面10上，如图2(a)所示每组部件由水平臂和垂直臂构成的倒L型电涡流传感器支架61及分别安装在该支架两个臂上的两个电涡流传感器60组成，电涡流传感器支架61的垂直臂下端固定在底板上，两个电涡流传感器60分别与信号采集器7相连，用于测量输入轴和输出轴水平方向、垂直方向的姿态，如图2(b)；本实施例的支架可采用各种有一定刚度的材料，例如铝合金，可满足在测试过程中稳定不变形即可；本实施例的电涡流传感器满足被测行星齿轮输入轴、输出轴振动信号测量精度和测量频率范围即可，例如可采用BENTLY Nevada 330103-00-05-10-02-00型电涡流传感器。

加速度传感器组件由3个加速度传感器组成，每个加速度传感器均等间隔安装在行星齿轮箱体表面上，如图3所示，行星齿轮箱9主要包括内齿圈91、三个行星轮92、行星架93、和一个太阳轮94，三个行星轮92呈120度分布在同一圆周上。传感器所在的测试平面与行星齿轮箱轴线垂直。3个加速度传感器与三个行星轮92分布相同。本实施例的加速度传感器满足被测行星齿轮加速度信号测量精度和测量频率范围即可，例如可采用型号为Dytran3055B1的压电式加速度传感器。

本实施例中的平板底座为一块长方形平板，可采用各种有一定刚度的材料，例如铝合金，可满足在测试过程中稳定不变形即可，在沿底板长度方向的不同位置处打有对称的螺栓孔。

本实施例的电机控制器及伺服电机、膜片联轴器、信号采集器、磁粉制动器控制器、磁粉制动器、振动台、电涡流传感器、加速度传感器等均采用成熟工业产品，其规格与被测行星齿轮箱、输入轴、输出轴匹配即可。

本实施例模拟工作过程如下：伺服电机3输出动力，经由膜片联轴器4传递给行星齿轮箱9，带动行星齿轮转动，磁粉制动器13对齿轮箱施加负载，至此构成一个完整的传动系统。通过电机控制器2控制电机3的转速和输出转矩按预定规律变化：在转矩控制模式下，可让伺服电机按给定的转矩进行旋转，速度变化情况则由磁粉制动器施加的负载转矩决定，负载转矩可通过控制器灵活调节；在速度控制模式下，伺服电机实际速度和和预定速度一致。振动台15对平板底座施加的竖直方向位移激励，实现行星齿轮箱的平移，用来模拟风力机行星齿轮由于塔架弯曲振动带来的平动。本实施例进行动力学测试过程：采用电涡流传感器60对行星齿轮箱输入轴5、输出轴11进行轴径向振动位移测试。电涡流传感器成对使用，两传感器探头中心线与轴心线正交，但与被测轴相隔一定距离。为了减小轴挠度的影响，支架61应尽量安装在行星齿轮箱输入、输出轴较靠近轴承的位置。将电涡流传感器60和加速度传感器90信号线连接到信号采集器7。具体测试步骤如下：

打开信号采集器；打开激振器15，使整个模拟装置摆动起来；启动磁粉制动器控制器12，通过磁粉制动器13设定行星齿轮箱负载；启动伺服电机3，行星齿轮转动，通过控制器2调节电机输出转速和转矩；这样，电涡流传感器60和加速器传感器90测量箱体振动加速度信号、输入输出轴径向位移信号，并通过信号采集器采集存储，从而完成复杂工况下行星齿轮动力学测试。

本发明的风力机行星齿轮复杂工况模拟及测试装置的实施例2组成结构如图4、5、6所示，与实施例1结构基本相同，不同之处在于：本实施例的底座1为可转动底座，即在实施例1的平板底座100下加上由两个支撑架101、两个轴承102和一个转轴103组成的转动机构。如图5所示，两个支撑架101均由水平臂和垂直臂构成，在垂直臂上开有轴承孔。如图6所示,转轴103包括圆轴段1030、连接块1031、固定板1032。两个支撑架101的水平臂通过螺栓对称固定在平板底座100的下表面的顶端(具体位置可根据试验需要进行改变,例如可安装在平板底座的中部)。轴承102的外圈固定在支撑架101的轴承孔内，转轴的圆轴段1030分别固定在轴承102的内圈上，转轴固定板1032固定在地面上。

另外，本实施例还在振动台15上增加一个安装在振动台15上的激振杆14。振动台15放置在底座1后端的下方，激振杆14一端固定在激振台15上，另一端与平板底座100下表面接触。

本实施例通过这样的组装方式，振动台15通过激振杆14施加的竖直方向位移激励，通过可转动底座1的转动机构转换为平板的旋转运动，用来模拟风力机行星齿轮箱由于塔架弯曲振动带来的摆动。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种风力机行星齿轮复杂工况的模拟及测试装置，该装置用于对风力机行星齿轮变转速、变扭矩和外部位移激励的模拟，及对行星齿轮输入轴、行星齿轮箱、行星齿轮输出轴的振动测试，其特征在于，装置包括平板底座、电机控制器及伺服电机、两个膜片联轴器、电涡流传感器组件、信号采集器、加速度传感器组件、磁粉制动器控制器及磁粉制动器、振动台；连接关系为：伺服电机通过信号线与电机控制器相连，电机输出轴通过第一膜片联轴器与待模拟行星齿轮输入轴相连，行星齿轮输出轴通过第二膜片联轴器与磁粉制动器相连，磁粉制动器通过信号线与磁粉制动器控制器相连；伺服电机、行星齿轮箱和磁粉制动器均固定在平板底座的上表面上，振动台安装在平板底座中部的下方，并与平板底座下表面接触，构成完整的模拟风力机行星齿轮的传动系统；

所述装置还包括设置在输入轴的横截面的输入轴测试平面、设置在行星齿轮箱体的横截面的行星齿轮箱体测试平面及设置在输出轴的横截面处的输出轴测试平面；所述信号采集器分别通过信号线与电涡流传感器组件、速度传感器组件相连；电涡流传感器组件设置在输入轴测试平面上及输出轴测试平面上，速度传感器组件设置在行星齿轮箱体测试平面上。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电涡流传感器组件包括结构相同的两组部件，分别设置在输入轴测试平面上及输出轴测试平面上，每组部件由水平臂和垂直臂构成的倒L型电涡流传感器支架及分别安装在该支架两个臂上的两个电涡流传感器组成，电涡流传感器支架的垂直臂下端固定在平板底座上，两个电涡流传感器分别与信号采集器相连，用于测量输入轴和输出轴水平方向、垂直方向的姿态。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述加速度传感器组件由3个加速度传感器组成，每个加速度传感器均等间隔安装在行星齿轮箱体表面上，3个加速度传感器与待测的三个行星轮分布相同，用于测量三个行星轮的加速度。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括连接在平板底座下表面的转动机构和安装在振动台上的激振杆，所述的转动机构与振动台分别设置在平板底座下表面的两端。