CN105954029A - 风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法 - Google Patents

风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法，风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统包括风动力模拟单元、主轴、增速齿轮轴向加载单元、增速齿轮等效质量盘、磁铁环、增速齿轮径向加载单元及发电机阻力模拟单元；风动力模拟单元的输出端与主轴的一端连接，主轴的另一端与发电机阻力模拟单元连接；增速齿轮等效质量盘固定安装在主轴上，增速齿轮等效质量盘上安装有磁铁环；增速齿轮轴向加载单元能对磁铁环施加轴向力；增速齿轮径向加载单元能对磁铁环施加径向力。本发明结构简单，安装和维护方便，成本低；本发明还能够对风场、轴向力和径向力、支撑刚度和阻尼及发电机在运行状态对风电机组传动链的影响进行模拟。

Description

风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法
技术领域
本发明属于风电技术领域，具体是涉及一种风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法。
背景技术
风力发电已成为人们日常生活用电的重要组成部分，而发电机组增速齿轮箱是风电机组故障率最高的部件之一，高达50%的故障停机源于高速级输出轴两端轴承(简称高速轴承)的过早失效。高速轴承居高不下的故障率表明实际运行中高速轴承真实动载远高于设计值，现场振动测试与故障分析表明齿轮箱高速轴与发电机轴间的动态不对中是造成高速轴承动载增大的主要原因。根据传动链结构特点，齿轮箱和发电机质量不同且分别安装在不同刚度的弹性支承上，两者固有频率必然不同，这是造成轴系动态不对中的本质原因。同时，柔性联轴器将产生较大变形与载荷来补偿轴系不对中，这也将激励起风电机组复杂的倍频、高频振动，振动又会影响两轴间的不对中，这种动态耦合过程使得轴承动载变化异常复杂。因此，模拟风电机组传动链独特的结构特点和复杂的外载特性，开展实验研究弹性支承、联接和增速齿轮等关键特征参数对传动链轴系动态不对中、振动和载荷传递的影响，这对于风电机组传动链轴系的研究和设计具有重要的意义。
公开号为CN104535353A的发明专利批露了一种倾斜安装角度可调的风电组动力学特性模拟实验装置，该装置采用驱动熊、模拟风轮系统、齿轮箱传动系统、发电机系统、负载水泵、水平固定工作平台和倾斜角度可调工作平台等组成，能够对不同倾斜角度和机舱部分不同支撑刚度下风电机组的运行状态和动力学特性进行模拟，但该专利不能模拟不同齿轮箱传动系统对风电系统的影响，也不能模拟传动链的不对中对整个发电机组的影响。公开号为CN105464908A的发明专利批露了风电机组齿轮箱弹性支撑结构及弹性体更换方法。该专利包括底板，横梁以及支撑立柱，机架、底板、支撑立柱，活动板，螺栓等组成，实现了齿轮箱弹性支撑更换时不需要断开联轴器等功能，该发明专利并未涉及齿轮箱对发电机组整个传动链的不对中的影响。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明是提供一种结构简单，成本低的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法。
本发明采用的技术方案是：一种风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，包括风动力模拟单元、主轴、增速齿轮轴向加载单元、增速齿轮等效质量盘、磁铁环、增速齿轮径向加载单元及发电机阻力模拟单元；其特征在于：所述的风动力模拟单元的输出端与主轴的一端连接，主轴通过轴承座支撑，主轴的另一端与发电机阻力模拟单元连接；所述的增速齿轮等效质量盘固定安装在主轴上，增速齿轮等效质量盘上安装有磁铁环；所述的增速齿轮轴向加载单元能对磁铁环施加轴向力；所述的增速齿轮径向加载单元能对磁铁环施加径向力。
上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的主轴包括主轴Ⅰ和主轴Ⅱ，主轴Ⅰ支撑在轴承座Ⅰ上，主轴Ⅱ支撑在轴承座Ⅱ上；主轴Ⅰ和主轴Ⅱ之间通过柔性联轴器连接，主轴Ⅰ和主轴Ⅱ同轴；主轴Ⅰ与风动力模拟单元连接，主轴Ⅱ与发电机阻力模拟单元连接。
上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的风动力模拟单元包括电机、板簧、阻尼消能垫Ⅰ、行星减速机、弹簧Ⅰ及阻尼消能垫Ⅱ；所述的电机安装在板簧上，板簧安装在阻尼消能垫Ⅰ上；所述的电机输出轴与行星减速机输入端连接，行星减速机的输出端与主轴Ⅰ连接，行星减速机通过弹簧Ⅰ安装在阻尼消能垫Ⅱ上。
上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的增速齿轮轴向加载单元包括电磁加载器Ⅰ和安装座；电磁加载器Ⅰ安装在安装座上。
上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的增速齿轮径向加载单元包括电磁加载器Ⅱ和电磁加载器安装座；电磁加载器Ⅱ安装在电磁加载器安装座上。
上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的轴承座Ⅰ包括轴承Ⅰ、支承、弹簧Ⅱ、阻尼消能垫Ⅲ、支承安装架；轴承Ⅰ的外圈固定于支承内，支承通过弹簧Ⅱ固定于阻尼消能垫Ⅲ上，所述的阻尼消能垫Ⅲ固定于支承安装架上，支承安装架固定于地基上。
上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的轴承座Ⅱ包括轴承Ⅱ、轴承支承、弹簧Ⅲ、阻尼消能垫Ⅳ、轴承支承安装架；所述的轴承Ⅱ的外圈固定于轴承支承内，轴承支承通过弹簧Ⅲ固定于阻尼消能垫Ⅳ上，阻尼消能垫Ⅳ固定于轴承支承安装架上，所述的轴承支承安装架固定于地基上。
上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的发电机阻力模拟单元包括电磁力矩器、电磁力矩器安装架、弹簧Ⅳ、阻尼消能垫Ⅳ；电磁力矩器固定于电磁力矩器安装架上，电磁力矩器安装架通过弹簧 Ⅳ固定于阻尼消能垫Ⅳ上，阻尼消能垫Ⅳ固定于地基上。
上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的板簧上设有两螺纹孔和两U型孔；所述的板簧能沿U型孔在阻尼消能垫1上移动。
一种利用上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统的模拟方法，包括如下步骤：
1）启动风动力模拟单元模拟实际野外风电机组承受的风速及驱动力，主轴在启动风动力模拟单元的带动下旋转，主轴带动发电机阻力模拟单元工作；
2）更换不同质量的增速齿轮等效质量盘，模拟不同风机的风电机组增速机的整机齿轮质量；改变增速齿轮轴向加载单元和增速齿轮径向加载单元对磁铁环施加的轴向力和径向力的大小，模拟不同的轴向力和径向力作用对风电机组传动链轴系的动态不对中影响。
3）改变支撑主轴的轴承座的刚度和阻尼，模拟不同风电机组旋转支撑座在动态不对中情况下的振动情况；
4）改变发电机阻力模拟单元的阻力，模拟不同风电机组发电机在发电情况下对风电机组传动链轴系的作用情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用风动力模拟单元、主轴Ⅰ、增速齿轮轴向加载单元、增速齿轮等效质量盘、磁铁环、增速齿轮径向加载单元、轴承座Ⅰ、柔性联轴器、主轴Ⅱ、轴承座Ⅱ、发电机阻力模拟单元等联合控制来模拟风电机组传动链轴系动态不对中振动状况，为研究和设计风电机组传动链提供科学试验，也能为教学提供试验平台。本发明相比现有技术具有如下有益效果：
1）本发明结构简单，安装和维护方便，成本低；
2） 本发明能够模拟不同风场下的风电机组传动链不对中振动状况、不同的轴向力和径向力的对传动链系的影响、不同支撑刚度和阻尼对不对中振动的影响、不同发电机在运行状态对传动链系反作用的影响及风电机组传动链的刚柔结构在不对中运行中的振动状况。
附图说明
图1为本发明的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统的结构示意图。
图2为本发明的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统的风动力模拟单元结构示意图。
图3为本发明的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统的风动力模拟单元中的板簧的俯视图。
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1-3所示，本发明的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，包括风动力模拟单元1、主轴、增速齿轮轴向加载单元3、增速齿轮等效质量盘4、磁铁环5、增速齿轮径向加载单元6及发电机阻力模拟单元11。所述的风动力模拟单元1 包括电机101、板簧104、阻尼消能垫Ⅰ105、行星减速机106、弹簧Ⅰ 107及阻尼消能垫Ⅱ108；如图3所示，板簧104上设有两个螺纹孔104-2和两个U型孔104-1，板簧104通过两个螺栓102安装在阻尼消能垫Ⅰ105上；所述的电机101通过螺钉103安装在板簧104上，板簧104安装在所述的电机101输出轴与行星减速机106输入端连接，行星减速机106的输出端与主轴连接，行星减速机106通过弹簧Ⅰ107安装在阻尼消能垫Ⅱ108 上，阻尼消能垫Ⅱ108 上安装在行星减速机安装座109上。
所述的主轴包括主轴Ⅰ2和主轴Ⅱ9，主轴Ⅰ2支撑在轴承座Ⅰ7上，主轴Ⅱ9支撑在轴承座Ⅱ10上；所述的轴承座Ⅰ7包括轴承Ⅰ701、支承702、弹簧Ⅱ703、阻尼消能垫Ⅲ704、支承安装架705；轴承Ⅰ701的外圈固定于支承702内，支承702通过弹簧Ⅱ703固定于阻尼消能垫Ⅲ704上，所述的阻尼消能垫Ⅲ704固定于支承安装架705上，支承安装架705固定于地基上。所述的轴承座Ⅱ10包括轴承Ⅱ1001、轴承支承1002、弹簧Ⅲ1003、阻尼消能垫Ⅳ1004、轴承支承安装架1005；所述的轴承Ⅱ1001的外圈固定于轴承支承1002内，轴承支承1002通过弹簧Ⅲ1003固定于阻尼消能垫Ⅳ1004上，阻尼消能垫Ⅳ 1004固定于轴承支承安装架1005上，所述的轴承支承安装架1005固定于地基上。
主轴Ⅰ2和主轴Ⅱ9之间通过柔性联轴器8连接，主轴Ⅰ2 和主轴Ⅱ9同轴；主轴Ⅰ2与风动力模拟单元1的行星减速机106的输出端连接，主轴Ⅱ9与发电机阻力模拟单元11的电磁力矩器1101连接。电磁力矩器1101固定于电磁力矩器安装架1102上，电磁力矩器安装架1102通过弹簧 Ⅳ1103固定于阻尼消能垫Ⅳ1104上，阻尼消能垫Ⅳ1104固定于地基上。
所述的增速齿轮等效质量盘4固定安装在主轴Ⅰ2上，增速齿轮等效质量盘4上安装有磁铁环5；所述的增速齿轮轴向加载单元3包括电磁加载器Ⅰ301和安装座302；电磁加载器Ⅰ301安装在安装座302上，安装座302安装在地基上，电磁加载器Ⅰ301靠近磁铁环5的端面设置。所述的增速齿轮径向加载单元6包括电磁加载器Ⅱ601和电磁加载器安装座602；电磁加载器Ⅱ601安装在电磁加载器安装座602上，电磁加载器安装座602安装在地基上，电磁加载器Ⅱ601位于磁铁环5的下方。
本发明的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟方法，包括如下步骤：
1）启动风动力模拟单元1的电机101，经行星减速机106将转速降低，模拟实际野外风电机组承受的风速及驱动力，主轴Ⅰ2在行星减速机106的驱动和轴承座Ⅰ7支撑下旋转，带动柔性联轴器8一起工作，主轴Ⅱ9在柔性联轴器8的驱动下和轴承座Ⅱ10的支撑下旋转，带动发电机阻力模拟单元11的电磁力矩器1101工作。
2）改变电机101的转速，模拟不同风场对风电机组传动链轴系的影响。
3）更换增速齿轮等效质量盘4，模拟不同风电机组增速机的整机齿轮质量，改变电磁加载器Ⅰ301和电磁加载器Ⅱ601的磁力大小，模拟增速机齿轮的轴向和径向作用力对风电机组传动链轴系的动态不对中影响。
4）改变弹簧Ⅱ703的弹簧刚度和阻尼消能垫Ⅲ704阻尼模拟不同风电机组增速机在动态不对中情况下的振动情况。
5）改变弹簧Ⅲ1003的弹簧刚度和阻尼消能垫Ⅳ1004的阻尼模拟不同风电机组旋转支撑座在动态不对中情况下的振动情况。
6）改变电磁力矩器1101的阻力模拟不同风电机组发电机在发电情况下对风电机组传动链轴系的作用情况。

Claims (10)

1.一种风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，包括风动力模拟单元(1)、主轴、增速齿轮轴向加载单元(3)、增速齿轮等效质量盘(4)、磁铁环(5)、增速齿轮径向加载单元(6)及发电机阻力模拟单元(11)；其特征在于：所述的风动力模拟单元(1)的输出端与主轴的一端连接，主轴通过轴承座支撑，主轴的另一端与发电机阻力模拟单元(11)连接；所述的增速齿轮等效质量盘(4)固定安装在主轴上，增速齿轮等效质量盘(4)上安装有磁铁环(5)；所述的增速齿轮轴向加载单元(3)能对磁铁环(5)施加轴向力；所述的增速齿轮径向加载单元(6)能对磁铁环(5)施加径向力。
2.根据权利要求1所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征是：所述的主轴包括主轴Ⅰ(2)和主轴Ⅱ(9)，主轴Ⅰ(2)支撑在轴承座Ⅰ(7)上，主轴Ⅱ(9)支撑在轴承座Ⅱ(10)上；主轴Ⅰ(2)和主轴Ⅱ(9)之间通过柔性联轴器（8）连接，主轴Ⅰ(2) 和主轴Ⅱ(9)同轴；主轴Ⅰ(2)与风动力模拟单元(1)连接，主轴Ⅱ(9)与发电机阻力模拟单元(11)连接。
3.根据权利要求１所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于：所述的风动力模拟单元(1) 包括电机(101)、板簧(104)、阻尼消能垫Ⅰ(105)、行星减速机(106)、弹簧Ⅰ (107)及阻尼消能垫Ⅱ(108)；所述的电机(101)安装在板簧(104)上，板簧(104)安装在阻尼消能垫Ⅰ(105)上；所述的电机(101)输出轴与行星减速机(106)输入端连接，行星减速机(106)的输出端与主轴Ⅰ(2) 连接，行星减速机(106)通过弹簧Ⅰ (107)安装在阻尼消能垫Ⅱ(108) 上。
4.根据权利要求１所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于：所述的增速齿轮轴向加载单元(3)包括电磁加载器Ⅰ(301)和安装座(302)；电磁加载器Ⅰ(301)安装在安装座(302)上。
5.根据权利要求１所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于：所述的增速齿轮径向加载单元(6)包括电磁加载器Ⅱ(601)和电磁加载器安装座(602)；电磁加载器Ⅱ(601)安装在电磁加载器安装座(602)上。
6.根据权利要求2所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于：所述的轴承座Ⅰ(7)包括轴承Ⅰ(701)、支承(702)、弹簧Ⅱ(703)、阻尼消能垫Ⅲ(704)、支承安装架(705)；轴承Ⅰ(701)的外圈固定于支承(702)内，支承(702)通过弹簧Ⅱ(703)固定于阻尼消能垫Ⅲ(704)上，所述的阻尼消能垫Ⅲ(704)固定于支承安装架(705)上，支承安装架(705)固定于地基上。
7.根据权利要求2所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于：所述的轴承座Ⅱ(10)包括轴承Ⅱ(1001)、轴承支承(1002)、弹簧Ⅲ(1003)、阻尼消能垫Ⅳ(1004)、轴承支承安装架(1005)；所述的轴承Ⅱ(1001)的外圈固定于轴承支承(1002)内，轴承支承(1002)通过弹簧Ⅲ(1003)固定于阻尼消能垫Ⅳ(1004)上，阻尼消能垫Ⅳ (1004)固定于轴承支承安装架(1005)上，所述的轴承支承安装架(1005)固定于地基上。
8.根据权利要求１所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于：所述的发电机阻力模拟单元(11)包括电磁力矩器(1101)、电磁力矩器安装架(1102)、弹簧Ⅳ(1103)、阻尼消能垫Ⅳ(1104)；电磁力矩器(1101)固定于电磁力矩器安装架(1102)上，电磁力矩器安装架(1102)通过弹簧 Ⅳ(1103)固定于阻尼消能垫Ⅳ(1104)上，阻尼消能垫Ⅳ(1104)固定于地基上。
9.根据权利要求2所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于：所述的板簧(104)上设有两螺纹孔(104-2)和两U型孔(104-1)；所述的板簧(104)能沿U型孔(104-1)在阻尼消能垫Ⅰ(105)上移动。
10.一种利用权利要求１-9中任一权利要求所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统的模拟方法，包括如下步骤：
1）启动风动力模拟单元(1)模拟实际野外风电机组承受的风速及驱动力，主轴在启动风动力模拟单元(1)的带动下旋转，主轴带动发电机阻力模拟单元(11)工作；
2）更换不同质量的增速齿轮等效质量盘(4)，模拟不同风机的风电机组增速机的整机齿轮质量；改变增速齿轮轴向加载单元(3)和增速齿轮径向加载单元(6)对磁铁环（5）施加的轴向力和径向力的大小，模拟不同的轴向力和径向力作用对风电机组传动链轴系的动态不对中影响；
3）改变支撑主轴的轴承座的刚度和阻尼，模拟不同风电机组旋转支撑座在动态不对中情况下的振动情况；
4）改变发电机阻力模拟单元(11)的阻力，模拟不同风电机组发电机在发电情况下对风电机组传动链轴系的作用情况。
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