CN109580094B - 一种风机发电机组转动轴力矩天平校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风机发电机组转动轴力矩天平校准系统，其包括加载单元、数据采集器和控制单元，加载单元包括加载工装和加载机构，加载工装包括底座和用于施加扭转力矩的方板，需要校测的力矩天平的下端通过螺钉固定在底座上，力矩天平的上端通过螺钉固定在所述方板上，底座与方板均水平配置，加载机构与方板和底座分别采用球铰式连接，能够经由方板对力矩天平施加绕X轴的力矩Mx、绕Y轴的力矩My和绕Z轴的力矩Mz，加载机构经由力传感器与控制单元信号连接，数据采集器与力矩天平信号连接。本发明能够同时施加三个大载荷力矩值，实现力矩天平的精确校准。

Description

一种风机发电机组转动轴力矩天平校准系统

技术领域

本发明涉及风机发电机组转动轴力矩测量领域，涉及一种对转动轴力矩测量天平进行校准、保证转动轴力矩测量数据准确性的校准系统。

背景技术

风力发电机作为清洁/可再生能源的重要组成部分，越来越受到各国政府的重视，装机容量持续攀升。根据国家能源局公布的数据，截至2017年7月我国的风电总装机容量达到1.54亿千瓦。风电设备的安装地点也从西北逐渐转移到东南沿海用电区域，海上风电设备装机容量已达到世界第三，随着经济的发展，东南沿海区域的风电设备会大幅度增长。新出现的问题是东南沿海地区在夏季经常出现台风和热带风暴，相对于内陆比较稳定的风场，对风电设备的结构安全提出了更大的挑战。

由于极端风场出现位置和时间存在很大的不确定性，无法提前安装待测风电设备进行安全测试，比较合理可靠的一种解决方案是在现场或风洞测量、或通过CFD数值方法计算风机发电机转动轴采用力矩天平进行测量得到在各种风场环境下的实际力矩载荷。在进行实际力矩载荷测量之前，需在试验室使用静力加载设备对风机发电机组转动轴力矩天平进行力矩加载校准测试，判定力矩天平性能，从而保证数据准确可靠。但是目前关于此方面的报道较少。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供了一种用风机发电机组转动轴力矩天平校准系统，通过对风力发电机组转动轴的力矩载荷测量天平施加一定力矩载荷，测定天平的输出，建立天平输出信号到力矩载荷之间对应关系，判断力矩测量天平性能。

本发明的风机发电机组转动轴力矩天平校准系统包括加载单元、数据采集器和控制单元，所述加载单元包括加载工装和加载机构，所述加载工装包括底座和用于施加扭转力矩的方板，需要校测的力矩天平的下端通过螺钉固定在底座上，所述力矩天平的上端通过螺钉固定在所述方板上，所述底座与所述方板均水平配置，所述加载机构与所述方板和所述底座分别采用球铰式连接，能够经由所述方板对所述力矩天平施加绕X轴的力矩Mx、绕Y轴的力矩My和绕Z轴的力矩Mz，所述加载机构经由力传感器与所述控制单元信号连接，所述数据采集器与所述力矩天平信号连接。

优选所述加载机构包括高压油源和6个伺服液压缸，其中两个伺服液压缸以横躺的方式配置在所述力矩天平的两侧，该两个伺服液压缸反向配置，它们的中心轴彼此平行并与力矩天平中心轴线垂直，并相对于所述底座和相对于所述力矩天平的中心轴分别等间距设置，在所述底座的上表面设置有两个L型的下安装板，两个下安装板的水平壁与底座上表面通过螺栓连接固定，在所述方板的下表面上设置有两个L型的上安装板，两个上安装板的水平壁与方板下表面通过螺栓连接固定，两个伺服液压缸的缸体端通过球铰分别与两个下安装板的竖直壁铰接，两个输出轴分别与一个力传感器的一端连接，两个所述传感器各自的另一端分别借助球铰与上安装板的竖直壁铰接，其余四个伺服液压缸分别竖直地立设在底座上，四个伺服液压缸缸体端通过球铰与所述底座铰接，四个输出轴分别与一个力传感器的一端连接，四个所述传感器各自的另一端分别借助球铰与所述方板的下表面铰接，四个立设的伺服液压缸均匀地分布在所述力矩天平的四周，并关于所述力矩天平的中心轴中心对称。

优选所述高压油源通过6条管路分别与6个所述伺服液压缸连通，6条管路上分别设置有电液伺服阀与开关控制器，所有电液伺服阀与开关控制器均与控制单元信号连接。

优选6个所述伺服液压缸的缸体内径为320mm，输出轴外径为160mm，额定工作压力为30MPa，最大能提供180T的输出力。

优选所述控制单元能够采集所述加载机构中的6个力传感器的力值作为系统的反馈，通过控制电液伺服阀，实时闭环调节6个伺服液压缸输出力，使其达到并保持恒定输出力值，保证作用于力矩天平的三个力矩为恒定值，以在此状态下采集力矩天平输出信号。

优选所述底座的上表面与所述方板的下表面分别设置有与所述力矩天平对接的法兰，并采用高强度螺栓与所述力矩天平连接。

优选所述底座与所述方板均为长6米、宽6米正方形，均采用加筋板式焊接结构，在厚度为80mm，材料为20MnMo的底板上，焊接多个厚度为60mm、高度为280mm的立板，立板之间间隔500mm×500mm，立板顶端焊接有筋板进行加强。

优选所述底座与所述方板均被平均分成两块，每块长6米、宽3米。

本发明与现有技术具有如下优点：

(1)能够同时或单独施加三个大载荷力矩值，实现力矩天平的精确校准，力矩值大小可以设置；

(2)能够通过增加接口转接件，能够实现不同尺寸规格的力矩天平的校准；

(3)能够校准加载机构方便进行拆卸，并将液压伺服系统、加载控制系统放置在一个长方体的框架箱体内部，以方便校准系统的运输。

附图说明

图1为本发明校准系统的原理图。

图2为伺服液压缸双球铰连接示意图。

图3为弯矩Mx、My加载示意图。

图4为扭矩Mz加载示意图。

具体实施方式

下面结合图1对本发明的具体实施方法进行说明：

一种风力发电机组转动轴的力矩载荷测量天平校准系统如图1所示，包含校准加载机构、数据采集器、液压伺服系统、加载控制系统。

校准加载机构如图1所示。校准设备分为正方形的上支架2和下支架3组成，每个支架长约6米，宽约6米，采用加筋板式焊接结构。具有较好的工艺性和较高的强度。底板厚度80mm，材料为20MnMo。立板厚度60mm，立板高度280mm，立板间隔500mm×500mm，立板顶端焊接筋板进行加强，材料选用Q370R。每个支架中部设置与力矩天平1配对的法兰，采用高强度螺栓15与天平连接。为了便于运输，将每个支架分成两块，每块长约6米，宽约3米。在校准时，采用高强度螺栓将两块连接成一体。在支架四周设置三对球铰—标准力传感器—伺服液压缸—球铰组合模块，将上、下两个支架连接起来。

伺服液压缸4如图2所示，为双耳轴结构形式，伺服液压缸4输出轴通过螺纹连接标准力传感器5的一端，标准力传感器5的另一端通过法兰连接球铰12。球铰12通过转轴14和支座13连接校准设备的固定端。1#、2#、3#和4#伺服液压缸两端通过支座13连接到上支架2和下支架3上，而5#和6#伺服液压缸两端通过支座13连接到L型的支座11上，再通过L型支座11连接到上支架2和下支架3。

六套伺服液压缸4缸桶内径为320mm，液压杆外径为160mm，额定工作压力为30MPa，最大能提供180T的输出力，均能满足每个加载点需求。标准力传感器5用于测量伺服液压缸4输出力值，为加载控制系统反馈加载载荷，便于加载控制系统进行载荷的调节。

通过6套伺服液压缸4组合非常容易实现三个力矩的组合加载。在进行Mx加载时，如图3所示，1#和2#伺服液压缸伸出/缩回，3#和4#伺服液压缸缩回/伸出，1#伺服液压缸与2#伺服液压缸组合成一组加载点，3#伺服液压缸与4#伺服液压缸组合成另一组加载点，两个加载点形成力偶，施加绕X轴的力矩Mx。

在进行My加载时，如图3所示，1#和3#伺服液压缸伸出/缩回，2#和4#伺服液压缸缩回/伸出，2#伺服液压缸与3#伺服液压缸组合成一组加载点，1#伺服液压缸与4#伺服液压缸组合成另一组加载点，两个加载点形成力偶，施加绕Y轴的力矩My。

在进行Mz加载时，如图4所示，5#伺服液压缸伸出/缩回，6#伺服液压缸缩回/伸出，5#伺服液压缸与6#伺服液压缸形成力偶，施加绕Z轴的力矩Mz。

如图1所示，风力发电机组转动轴的力矩载荷测量天平校准系统配置一套独立液压伺服系统6，同时向六套伺服液压缸4供油，为校准加载机构提供给定力矩载荷。该液压系统主要由一套集中液压站本体、六套伺服液压缸、电液伺服阀块和相应的液压管路7组成。液压站本体包含液压油箱、油泵、油滤、冷却装置和贮能器等，液压站本体油箱及无缝钢管均采用不锈钢材质。液压泵和交流电机采用国际上优质产品。液压站本体自带一套电控箱，用于液压站本体的液压泵的启动、停止及压力温度等数据状态采集与监控。电液伺服阀块用于安装液压电磁阀门和美国MOOG公司生产的电液伺服阀，通过这些电磁阀，控制系统可以控制与调节伺服液压缸4输出载荷。液压管路7用于连接电液伺服阀块与伺服液压缸4。该液压管路采用高压橡胶软管制成，两端采用快速连接进行现场连接。

加载控制系统能够根据加载载荷值，自动调节液压伺服系统中的伺服液压缸的输出力值，保证液压缸的输出力值稳定在给定值上，便于进行风机天平输出信号的采集。该系统主要包括一套位于现场的实时控制器、一套平板式工控机10及加载校准软件组成。实时控制器采用美国NI公司PXIe总线实时控制器8，它是加载控制系统的核心，是系统的下位机，实现对安装在风机天平内部的所有标准力传感器数据采集与六套伺服液压缸输出力闭环调节控制。PXIe总线实时控制器平台由主机箱、高性能控制器、功能模块等组成，具备高精度测量与控制功能。系统配置高性能的数据采集模块，能实现力的测量；配置模块量输出模块，能够精度控制液压系统从而改变伺服液压缸4的输出力值；系统还具备安全连锁功能，能确保设备按照正确的工艺流程工作，保证设备运行安全。

本发明的风力发电机组转动轴的力矩载荷测量天平校准系统通过液压伺服系统模拟天平受到的载荷施加给天平一定的力矩载荷，同时通过数据采集器采集天平输出信号，从而建立力矩载荷与天平输出信号之间的对应关系，通过对误差的分析，判定力矩天平的性能。校准加载机构能准确模拟天平受力情况，同时对天平进行施加三个高精度的力矩载荷，测量天平的输出信号，可拟合天平公式和评估测量不确定度。

由于力矩天平本体本身承受的载荷比较大，整个力矩天平本体采用整体锻件结构机加成形。在中部设置布置测力敏感元件的结构形式。考虑到该力矩天平不仅承受扭矩，同时也承受一定的弯矩，因此该力矩天平为三分量力矩天平，能同时测量三个力矩值。在力矩天平的每个力矩敏感部位上粘贴目前国内外通用的成熟的应变片组成惠斯顿电桥形式，应变输出接于数据采集器中。

每个支架中部设置与天平配对的法兰，采用高强度螺栓与天平连接。在支架四周设置六个力加载点，通过力加载点的组合加载，可实现对三个力矩加载。每个加载点采用大载荷伺服液压缸进行驱动。通过增加接口转接件，能够实现不同尺寸规格的力矩天平的校准。

校准加载机构均采用大载荷液压伺服缸产生相应的载荷，并采用高精度的标准力传感器进行测量液压伺服缸输出的载荷值，用于加载控制系统进行力矩值的闭环反馈。

系统能够根据加载载荷值，自动调节液压伺服系统中的伺服液压缸的输出力值，保证液压缸的输出力值稳定在给定值上，便于进行风机天平输出信号的采集。

为了便于力矩天平在现场进行校准，将液压伺服系统、加载控制系统放置在一个长方体的框架箱体(四周为金属钢板覆盖)内部，构成一个便于运输的可移动式的校准单元。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员所公知技术。

Claims (4)

1.一种风机发电机组转动轴力矩天平校准系统，其特征在于：包括加载单元、数据采集器和控制单元，所述加载单元包括加载工装和加载机构，所述加载工装包括底座和用于施加扭转力矩的方板，需要校测的力矩天平的下端通过螺钉固定在底座上，所述力矩天平的上端通过螺钉固定在所述方板上，所述底座与所述方板均水平配置，所述加载机构与所述方板和所述底座分别采用球铰式连接，能够经由所述方板对所述力矩天平施加绕X轴的力矩Mx、绕Y轴的力矩My和绕Z轴的力矩Mz，所述加载机构经由力传感器与所述控制单元信号连接，所述数据采集器与所述力矩天平信号连接；

所述加载机构包括高压油源和6个伺服液压缸，其中两个伺服液压缸以横躺的方式配置在所述力矩天平的两侧，该两个伺服液压缸反向配置，它们的中心轴彼此平行并与力矩天平中心轴线垂直，并相对于所述底座和相对于所述力矩天平的中心轴分别等间距设置，在所述底座的上表面设置有两个L型的下安装板，两个下安装板的水平壁与底座上表面通过螺栓连接固定，在所述方板的下表面上设置有两个L型的上安装板，两个上安装板的水平壁与方板下表面通过螺栓连接固定，两个伺服液压缸的缸体端通过球铰分别与两个下安装板的竖直壁铰接，两个输出轴分别与一个力传感器的一端连接，两个所述传感器各自的另一端分别借助球铰与上安装板的竖直壁铰接，其余四个伺服液压缸分别竖直地立设在底座上，四个伺服液压缸缸体端通过球铰与所述底座铰接，四个输出轴分别与一个力传感器的一端连接，四个所述传感器各自的另一端分别借助球铰与所述方板的下表面铰接，四个立设的伺服液压缸均匀地分布在所述力矩天平的四周，并关于所述力矩天平的中心轴中心对称；

所述高压油源通过6条管路分别与6个所述伺服液压缸连通，6条管路上分别设置有电液伺服阀与开关控制器，所有电液伺服阀与开关控制器均与控制单元信号连接；

6个所述伺服液压缸的缸体内径为320mm，输出轴外径为160mm，额定工作压力为30MPa，最大能提供180T的输出力；

所述控制单元能够采集所述加载机构中的6个力传感器的力值作为系统的反馈，通过控制电液伺服阀，实时闭环调节6个伺服液压缸输出力，使其达到并保持恒定输出力值，保证作用于力矩天平的三个力矩为恒定值，以在此状态下采集力矩天平输出信号。

2.根据权利要求1所述的风机发电机组转动轴力矩天平校准系统，其特征在于：所述底座的上表面与所述方板的下表面分别设置有与所述力矩天平对接的法兰，并采用高强度螺栓与所述力矩天平连接。

3.根据权利要求1或2所述的风机发电机组转动轴力矩天平校准系统，其特征在于：所述底座与所述方板均为长6米、宽6米正方形，均采用加筋板式焊接结构，在厚度为80mm，材料为20MnMo的底板上，焊接多个厚度为60mm、高度为280mm的立板，立板之间间隔500mm×500mm，立板顶端焊接有筋板进行加强。

4.根据权利要求3所述的风机发电机组转动轴力矩天平校准系统，其特征在于：所述底座与所述方板均被平均分成两块，每块长6米、宽3米。