CN106872159B - 一种风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台，由上、下加压模块、电机模块以及机座组成；上加压模块结构主要为：弹簧套装在上气缸输出轴的收缩段与上导杆的收缩段之间，上导杆顺次连接上上摩擦力传感器、法向力传感器以及上背板，上制动片粘接在上背板上；除安装构件外，下加压模块与上加压模块结构相同，且上、下对称设置；电机结构模块为：伺服电机与减速器连接并安装在中空支座内，减速器的输出轴上部固定有制动盘。上、下加载模块以及中空支座分别经螺杆固定在机座的倒T字形槽口上，本试验台各部分模块化设计方便拆卸和改装，上、下加载模块可同时加载或分别加载，可模拟上述制动系统的各种工况，提供其摩擦振动及噪声特性信息，以探究不同试验参数对该制动系统摩擦振动特征的影响。

Description

一种风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台

技术领域

本发明涉及振动噪声的试验装置，特别涉及风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台。

背景技术

能源、环境与人类生存发展之间的矛盾问题是当今务必要解决的紧迫问题之一，风力发电作为一种绿色环保、可持续发展的新能源，不仅可以节约日渐匮乏的常用能源，而且可以减少环境污染，具有很好的经济、社会效益，其优越性受到越来越多的重视。

风力发电机在工作过程中，需要将风力发电机机头及叶片随着风力方向的改变而转动，使其始终朝向风力最大的方向，从而最大程度地保证风力发电机的工作效率,这个过程即为偏航（对风）工作过程。而偏航制动系统作为偏航系统中必不可少的安全性能组件，为风力发电机偏航过程中提供必要的锁紧力矩。据国内外一些大型风场的统计资料显示，风力发电机组在偏航制动时通常会发生异常振动，期间可能同时伴随有噪声产生，传播半径可达数公里。这些问题不仅影响了风力发电机组的正常运行、寿命和可靠性，而且造成了环境污染，影响风场周边居民的正常生活。

因此针对风力发电机偏航制动系统的试验研究显得尤为重要，它可以为摩擦界面因素（制动力、转速、接触刚度、磨损特性、磨屑行为、摩擦热）对不稳定摩擦振动问题的产生和影响方面的研究提供必要的手段。并且可以为新型摩擦材料的性能，制动盘、片的结构优化，制动器各部件的创新设计提供验证手段，从而加速研制和调试的周期。而目前，由于缺少必要的试验设备，风力发电机的偏航制动系统的振动、噪声特性并没有得到系统的研究，也就无法对偏航制动系统的不稳定振动、噪声问题提出解决方案；同时其机械系统寿命及可靠性问题无法进行有效的性能检测，这些均是风力发电机组设计和运行的重大问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台，该试验台能够为摩擦界面因素（制动力、转速、接触刚度、磨损特性、磨屑行为、摩擦热）对不稳定摩擦振动问题的产生机理和影响方面的研究提供必要的手段。并且可以为新型摩擦材料的性能，制动盘、片的结构优化，制动器各部件的创新设计提供验证手段，从而加速研制和调试的周期。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台，由上加载模块、下加载模块、电机模块以及机座组成；机座上开有多条倒T字形槽口；

上加载模块结构为：上底板固定在四根支撑柱顶部，四根支撑柱底部均固定有安装板，且安装板经螺栓固定在机座上的倒T字形槽口上，上气缸固定在上底板底面上，竖向板固定在呈水平位置的上底板底面，上轴承座安装在竖向板上，上直线轴承安装在上轴承座上，上导杆固定在上直线轴承内圈、与上气缸输出轴同轴设置，且上弹簧套装在上气缸输出轴下部的收缩段与上导杆上部的收缩段之间，上导杆下部依次安装有上法向力传感器和上摩擦力传感器以及上背板，上制动片粘接在上背板底面，三向加速度传感器安装在上背板侧面；

下加载模块结构为：下底板为由水平板和竖向板组成的直角弯板，该水平板经螺栓固定在机座的倒T字形槽口上，下气缸安装在该竖向板下部，下轴承座安装在竖向板上部，下直线轴承安装在下轴承座上，下导杆与下气缸输出轴同轴设置，下弹簧套装在下气缸输出轴上部的收缩段与下导杆下部的收缩段之间，下导杆上部依次安装有法向力传感器和摩擦力传感器以及下背板，另一个三向加速度传感器安装在下背板侧面，下制动片粘接在下背板顶面；

电机模块结构为：中空支座的底板经螺杆固定在机座的倒T字形槽口上，伺服电机与减速器连接并安装在中空支座内，减速器的输出轴上部固定有制动盘。

本发明的工作过程和原理是：

在试验开始前，调整上加载模块和下加载模块位置，使作为试样的上制动片与下制动片相对位置一致，即下制动片位于上制动片正下方，然后将上、下加载模块经螺栓在机座的倒T字形槽口上固定。根据试验所需摩擦半径调整电机模块的位置；通过控制系统启动伺服电机，通过减速器带动制动盘转动，可调节制动盘转速至所需大小；随后，通过控制系统控制电磁阀使上、下气缸伸出轴伸出，通过一系列弹簧及连接件推动作为试样的上、下制动片与制动盘接触，可选择上、下加载模块同时加载，也可选择上下加载模块分别单独加载；当达到试验所要求的时间后，气缸伸出轴复位，制动盘停止转动，试验结束。

在试验过程中，安装在上、下制动片的背板侧面的两个三向加速度传感器采集制动片三个方向上的振动加速度信号，安装在气缸伸出轴和制动片之间的法向力传感器和摩擦力传感器实时监测制动过程中的制动压力与摩擦界面间的摩擦力，制动盘与上、下制动片接触界面附近的声音传感器采集试验过程中的制动噪声信号。所有采集到的信号均传送给信号采集分析系统进行分析处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、试验台各部分实现模块化，方便拆卸和改装。且上加载模块和下加载模块可分别控制，可实现单边分别加载和两边同时加载，以满足不同试验的要求。

二、试验台选取的气缸和电机的量程范围分别可以满足对于风力发电机偏航制动系统重载、低速的工况的模拟，且伺服电机可实现低转速的状态下的平稳精准输出。

三、可根据试验所需要求改变摩擦半径、制动盘转速、制动压力、接触刚度，并依据试验中采集到的加速度信号，力信号，声音信号以及热成像图、磨损形貌、磨屑情况等信息对摩擦振动及噪声特性进行分析，以探究不同试验参数或界面因素对于风力发电机偏航制动系统摩擦不稳定振动特性的影响。

四、可更换不同材料、形状、尺寸的制动盘和制动片，为探究新型摩擦材料的性能，以及制动盘、片的结构优化提供必要的试验手段；也可以在摩擦系统中通过主动添加阻尼单元，以及在制动盘、片表面进行织构化设计等等，为风力发电机偏航制动系统提出有效的减振降噪的手段。

五、可根据试验所需外加环境气氛条件的要求（如风场所处的风沙环境、摩擦副之间的油污环境等等），在制动盘、片的接触区域添加气氛罩或者环境箱，以探究不同环境条件对于风力发电机偏航制动系统摩擦不稳定振动特性的影响。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明所述的风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台的整体装配图。

图1a1是图1中A部放大图。

图1b是本发明所述的试验台的上加载模块（模块也称装置或机构，下同）的装配图。

图1b1是图1b中B部放大图。

图1c是本发明所述的试验台的下加载模块的装配图。

图1c1是图1c中C部放大图。

图1d本发明所述的试验台的电机模块的装配图。

具体实施方式

实施例

一种风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台，由上加载模块1、下加载模块2、电机模块3以及机座4组成；机座4上开有多条倒T字形槽口；

上加载模块1结构为：（上底板、四根支撑柱和安装板17组成安装构件）上底板5固定在四根支撑柱16顶部，四根支撑柱底部均固定有（矩形）安装板17，且安装板经螺栓固定在机座4上的倒T字形槽口上（可沿槽口移动并固定，参见图1a1），上气缸6固定在上底板5底面上，竖向板5a固定在呈水平位置的上底板底面，上轴承座10安装在竖向板5a上，上直线轴承9安装在上轴承座10上，上导杆8（实心杆）固定在上直线轴承9内圈、与上气缸6输出轴同轴设置，且上弹簧7套装在上气缸6输出轴下部的收缩段与上导杆8上部的收缩段之间（参见图1b1，上弹簧未受力时，上导杆顶部与上气缸输出轴底部之间有间距），上导杆8下部依次安装有上法向力传感器11（旋接在上导杆下部）和上摩擦力传感器12（经螺钉固定在上法向力传感器上）以及上背板13（经螺钉固定在上摩擦力上摩擦力传感器上），上制动片15粘接（方便更换制动片）在上背板13底面，三向加速度传感器14安装在上背板13侧面；

下加加载模块2结构为（除安装构件外，与上加载模块结构相同，且上、下对称设置）：下底板18（为安装构件）为由水平板和竖向板组成的直角弯板，该水平板经螺栓固定在机座的倒T字形槽口上，下气缸19安装在该竖向板下部，下轴承座22安装在竖向板上部，下直线轴承23安装在下轴承座22上，下导杆21与下气缸19输出轴同轴设置，下弹簧20套装在下气缸19输出轴上部的收缩段与下导杆21下部的收缩段之间（参见图1c1），下导杆21上部依次安装有法向力传感器和摩擦力传感器24以及下背板，另一个三向加速度传感器安装在下背板侧面，下制动片25粘接在下背板顶面；

电机模块3结构为：中空支座29的底板经螺杆固定在机座4的倒T字形槽口上，伺服电机28与减速器27连接并安装在中空支座29内，减速器27的输出轴上部固定有制动盘30。

上加载模块1中还具有两块压板，两块压板分别套装在上气缸6输出轴的收缩段与上导杆的收缩段上，上弹簧7位于两块压板之间，且两块压板由两根螺栓连接在一起；所述下加载模块中还具有另外两块压板，另外两块压板分别套装在下气缸19输出轴的收缩段与下导杆的收缩段上，下弹簧20位于另外两块压轴之间，且另外两块压板由另外两根螺栓连接在一起。

电机模块中还具有法兰盘26，法兰盘26固定在所述减速器27输出轴顶部，所述制动盘30固定在法兰盘26上。

还具有声音传感器，声音传感器通过支撑三角脚架固定在地面上，且声音传感器的感应端位于制动盘30附近。

图1示出，上加载模块1由四根支撑柱16提供支撑，支撑柱底部与安装板17通过螺栓连接，再通过螺栓连接固定在机座4上，下加载模块2和电机模块3同样通过螺栓连接固定在机座4上。

图1b示出，上气缸6固定在上底板5底面中部，上气缸6底部的输出轴依次与上弹簧7、上导杆8、上法向力传感器11、上摩擦力传感器12相连，最终与安装上制动片15的上背板13连接。上导杆8的中部穿过上直线轴承9内圈，上直线轴承9与上轴承座10采用过盈配合，上轴承座10通过螺栓连接固定在上底板5上。上背板13的侧面安装有三向加速度传感器14。

图1c示出，下气缸19固定在下底板18底部，下气缸19顶部的输出轴依次与下弹簧20、下导杆21、法向力传感器、摩擦力传感器24相连，最终与下制动片25连接。下导杆21的中部穿过下直线轴承23，下直线轴承23与下轴承座22采用过盈配合，下轴承座22通过螺栓连接固定在下底板18上。下制动片25的侧面安装有另一个三向加速度传感器14。

图1d示出，伺服电机28与减速器27连接成为一体，并安装固定于中空支座29的内部，法兰盘26固定在减速器27输出轴上，制动盘30通过螺栓与法兰盘相固定。

Claims (4)

1.一种风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台，其特征是，由上加载模块(1)、下加载模块(2)、电机模块(3)以及机座(4)组成；机座(4)上开有多条倒T字形槽口；

上加载模块(1)结构为：上底板(5)固定在四根支撑柱(16)顶部，四根支撑柱底部均固定有安装板(17)，且安装板经螺栓固定在机座(4)上的倒T字形槽口上，上气缸(6)固定在上底板(5)底面上，竖向板(5a)固定在呈水平位置的上底板底面，上轴承座(10)安装在竖向板(5a)上，上直线轴承(9)安装在上轴承座(10)上，上导杆(8)固定在上直线轴承(9)内圈、与上气缸(6)输出轴同轴设置，且上弹簧(7)套装在上气缸(6)输出轴下部的收缩段与上导杆(8)上部的收缩段之间，上导杆(8)下部依次安装有上法向力传感器(11)和上摩擦力传感器(12)以及上背板(13)，上制动片(15)粘接在上背板(13)底面，三向加速度传感器(14)安装在上背板(13)侧面；

下加载模块(2)结构为：下底板(18)为由水平板和竖向板组成的直角弯板，该水平板经螺栓固定在机座的倒T字形槽口上，下气缸(19)安装在该竖向板下部，下轴承座(22)安装在竖向板上部，下直线轴承(23)安装在下轴承座(22)上，下导杆(21)与下气缸(19)输出轴同轴设置，下弹簧(20)套装在下气缸(19)输出轴上部的收缩段与下导杆(21)下部的收缩段之间，下导杆(21)上部依次安装有法向力传感器和摩擦力传感器(24)以及下背板，另一个三向加速度传感器安装在下背板侧面，下制动片(25)粘接在下背板顶面；

电机模块(3)结构为：中空支座(29)的底板经螺杆固定在机座(4)的倒T字形槽口上，伺服电机(28)与减速器(27)连接并安装在中空支座(29)内，减速器(27)的输出轴上部固定有制动盘(30)。

2.根据权利要求1所述的风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台，其特征是，所述上加载模块(1)中还具有两块压板，两块压板分别套装在上气缸(6)输出轴的收缩段与上导杆的收缩段上，上弹簧(7)位于两块压板之间，且两块压板由两根螺栓连接在一起；所述下加载模块中还具有另外两块压板，另外两块压板分别套装在下气缸(19)输出轴的收缩段与下导杆的收缩段上，下弹簧(20)位于另外两块压轴之间，且另外两块压板由另外两根螺栓连接在一起。

3.根据权利要求2所述的风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台，其特征是，所述电机模块中还具有法兰盘(26)，法兰盘(26)固定在所述减速器(27)输出轴顶部，所述制动盘(30)固定在法兰盘(26)上。

4.根据权利要求1或2或3所述的风力发电机偏航制动系统振动噪声试验台，其特征是，还具有声音传感器，声音传感器通过支撑三角脚架固定在地面上，且声音传感器的感应端位于制动盘(30)附近，还包括控制系统，控制系统控制上、下气缸输出轴伸出，推动上、下制动片与制动盘接触而实现加载，上、下加载模块同时加载，或者上、下模块分别单独加载。