CN109657320A - 一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法，所述建模与分析方法为：首先：建立传动链动力学模型，其包括：传动链三维实体模型和传动链有限元模型；其次，对传动链有限元模型进行仿真分析，并对仿真结果进行后处理。本发明克服了现有质量块模型仅能提取个别扭振频率的缺陷，避免了由简化部件柔性导致的频率缺失；同时能以图形的形式清晰判别传动链的扭振，从而能定量化分析传动链的扭振特性。

Description

一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法

技术领域

本发明涉及风电机组传动链建模与扭振特性分析方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

风电机组传动链是连接风轮和发电机，实现机械功率传输的重要机械部件，主要由主轴、齿轮箱、联轴器、支撑轴承等关键部件组成。由于桨叶等传动链关键部件柔性的存在，风电机组传动链是典型的欠阻尼系统，作用于传动链上的气动转矩和电磁转矩的动态变化都可能激发长时间的轴系扭振。传动链扭振一方面会造成传动链关键部件的扭振疲劳损耗而发生故障，如齿轮箱作为双馈风电机组传动链柔性较高的关键部件，故障率达20-30％，损坏率高达50％；另一方面，传动链扭振会引起风电机组输出功率波动，直接影响并网系统的稳定性。如：2009年10月美国德克萨斯州Ajo变电站，传动链扭振加之线路串补造成双馈风电场并网系统的次同步谐振事故；2010年11月，机组传动链扭振引起了新疆、甘肃地区的风电并网系统发生多次低频振荡。由此可见，传动链扭振不仅直接影响风电机组安全运行，也影响并网系统的运行稳定性，开展风电机组传动链扭振研究显得尤为迫切和重要。近年来，针对扭振对风电机组的影响问题，国内外已有相关研究，但主要是针对风力发电机电气部分暂态过程来进行的，研究内容也主要集中于电网波动对扭振的影响等，所建立的仿真模型对机械传动链部分做了较大简化，多以两质量块或三质量块模型等效，即：将叶片、轮毂等效为一个刚性质量块，将齿轮箱与发电机转子等效为一个或两个质量块，将连接这三者的低速轴与高速轴视为柔性轴。这种建模和仿真方法对于研究电网波动时风电机组电气暂态特性是有效的，但等效数值的简化模型精度一般，不能准确反映传动链扭振的特征频率等关键信息，无法对传动链的扭振进行定量、精确地分析。为此，需要致力研究、设计相应的技术方案给予解决。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术无法深入研究和定量化分析风电机组传动链扭振特性的缺点，提出一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法，解决现有技术难以全面、准确分析传动链扭振的问题，从而能够定量、精确地分析风电机组传动链扭振对疲劳寿命的影响，为传动链的设计优化及控制策略提供理论依据。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法，所述建模与分析方法为：首先：建立传动链动力学模型，其包括：传动链三维实体模型和传动链有限元模型；其次，对传动链有限元模型进行仿真分析，并对仿真结果进行后处理。

作为上述技术方案的改进，所述建立传动链动力学模型的方法是：

(1)采用CAD软件建立传动链三维实体模型，该传动链三维模型是关于扭振特性影响较为明显的传动链部件，包括：叶片、轮毂、主轴、齿轮传动系统、输出轴、刹车盘及发电机转子的三维实体模型(齿轮传动系统包括：行星架、行星轮、齿圈、太阳轮轴、中间级低速齿轮、中间级齿轮轴、高速级低速齿轮、输出轴)，然后将传动链三维实体模型按照精确的定位关系装配成完整的传动链三维实体模型；

(2)建立传动链有限元模型，将步骤(1)得到的传动链三维实体模型导入有限元软件中，对传动链各部件设置材料属性、表面接触、运动副、齿轮啮合参数、轴承单元、定位约束、进行网格划分，形成传动链有限元模型；所述有限元软件是ANSYS有限元软件，所述传动链部件均是柔性体；

所述设置材料属是在“Engineering Data”模块中完成，材料属性设置包含三个参数，分别是材料密度、弹性模量和泊松比；

所述设置表面接触，在叶片-轮毂、轮毂-主轴、主轴-行星架、齿轮轴-齿轮、齿轮轴-刹车盘、高速轴-发电机转子的接触面上添加“Bonded”固定接触，在行星轮-齿圈、行星轮-太阳轮、中间级齿轮、高速级齿轮的啮合齿面添加“Frictional”摩擦接触，摩擦力设置为0.2，行星轮与行星架接触面添加“Frictionless”无摩擦接触；

所述创建运动副是在齿圈处添加“Body-Ground”→“Fixed”固定副，在叶片-轮毂、轮毂-主轴、主轴-行星架、齿轮轴-轮、齿轮轴-车盘、高速轴-发电机转子的接触面上添加“Body-Body”→“Fixed”固定副，在轮毂、主轴、行星架、齿轮轴、高速轴、发电机转子的圆柱面上添加“Revolute”转动副；

所述设置齿轮啮合参数，在行星轮-齿圈、行星轮-太阳轮、中间级齿轮、高速级齿轮的接触齿面上分别添加“Spring”单元，并为其设置刚度和阻尼参数，以此表示齿轮啮合实际存在的柔性；

所述设置轴承单元，在主轴、行星架、齿轮轴、高速轴、发电机转子的轴承支撑处圆柱面添加“Bearing”单元，并为其设置轴承参数；

所述设置定位约束在主轴、行星架、各级齿轮、齿轮轴、高速轴、发电机转子的圆柱面上添加“Frictionless Support”无摩擦约束，限制旋转部件径向、切向自由度；在主轴、行星架、各级齿轮、齿轮轴、高速轴、发电机转子的端面上添加“Frictionless Support”无摩擦约束，限制其轴向位移自由度；

所述网格划分为自动划分网格。

作为上述技术方案的改进，所述对传动链有限元模型进行仿真分析方法为：

(1)设置求解器参数：所述求解器参数包括设置输出模态数、输出应力云图、输出应变云图；

(2)开始仿真分析计算：所述仿真分析计算是模态分析；

(3)结果后处理：所述结果是位移云图，所述后处理是点击“Graphics”，以矢量箭头的形式输出位移云图，筛选出传动链的扭振频率。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本方案克服了现有质量块模型仅能提取个别低频扭振频率的缺陷，也避免了由简化部件柔性导致的频率缺失；同时能以图形的形式清晰的判别传动链的扭振，从而能定量化分析传动链的扭振特性。

附图说明

图1是本发明风电机组传动链建模与扭振特性分析流程图；

图2是本发明风电机组传动链三维实体模型示意图；

图3是本发明风电机组传动链有限元模型拓扑图；

图4是本发明风电机组传动链有限元模型网格划分示意图；

图5是本发明传动链扭振特性仿真分析结果-叶片扭振图；

图6是本发明传动链扭振仿真特性分析结果-刹车盘扭振图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1至图6所示：本发明所述风电机组传动链建模与扭振特性分析方法。

本发明所涉及到的建模与分析方法主要分为两部分：首先建立传动链动力学模型，包括传动链三维实体模型和有限元模型；其次，对传动链有限元模型进行仿真分析，根据仿真结果筛选扭振频率，确定各扭振频率下传动链扭振的方向、形变量和应力值。

本发明实施步骤如下：

本发明实施步骤如下：

(1)首先，采用CAD软件建立传动链三实体维模型：三维实体模型中，所涉及的叶片10、轮毂20、齿轮箱(包括：行星架41、行星轮42、齿圈43、太阳轮轴44、中间级低速齿轮45、中间级齿轮轴46、高速级低速齿轮47)、主轴30、输出轴50、刹车盘60、转子70等几何参数均是风机设计参数，本发明提供的三维模型可保证与实际运行风机100％吻合，保证了风机三维实体模型的可靠性；考虑到三维实体模型在客观反映传动链扭振特性的同时不影响后续仿真速度，因此对三维实体模型进行适当简化，忽略扭振特性影响不明显的传动链部件的建模，如齿轮箱体和销轴部件，将传动链部件按照精确的定位关系装配成完整的传动链三维实体模型；

采用有限元软件建立传动链有限元模型：将传动链三维实体模型导入有限元软件中，定义模型材料属性并对模型进行有限元网格划分；其中，齿轮啮合区域的网格需要细化，而其他部件的网格不宜过细，否则会影响后续仿真速度；网格划分结束后，对齿轮啮合部位和部件接触部位定义接触对、运动副和定位约束；同时，在齿轮副啮合齿面添加具有阻尼的弹簧，以此表示齿轮啮合实际的啮合刚度与阻尼；在主轴30、行星架41、太阳轮轴44、中间级齿轮轴46、输出轴50、转子70支撑处添加轴承单元。

(2)在已建立的有限元模型基础上进行仿真分析，以此分析传动链的扭振特性：首先对模态分析求解器进行设置，设定最大输出模态数、输出位移云图和应力云图，之后进行求解计算；计算完成后对模型仿真结果进行后处理；

首先输出传动链的特征频率，特征频率包含弯曲振动、轴向振动和扭振三种振动频率，因此需要从结果中筛选出扭振的特征频率；位移是矢量单位，其方向能清晰的反应该点位移的方向，因此本发明以矢量位移云图的方法筛选扭振频率，矢量位移云图中的箭头方向代表该点位移的方向，箭头的大小代表改点位移的大小，依据矢量箭头的方向和大小，可以筛选出传动链的扭振频率，且能清晰的判别扭振的方向和大小，从而能定量化分析传动链的扭振特性。

实施例

第一步：首先进行模型建立和导入，分三维实体模型和有限元模型两部分进行：

传动链三维实体模型由叶片10、轮毂20、主轴40、齿轮传动系统、输出轴50、刹车盘50及转子70组成，其中齿轮传动系统由行星架41、行星轮42、太阳轮轴44、中间级齿轮副、高速级齿轮副和齿轮轴组成；以上各部件在Solideworks中建模并按照精确的定位关系装配成传动链整体三维模型，如图2为传动链三维实体模型示意图。

建立传动链有限元模型在ANSYS有限元软件下完成，有限元模型依靠传动链三维实体模型建立，在三维实体模型的基础上，依照传动链实际情况，对传动链各部件设置材料属性、设置接触、定位约束、进行网格划分，如图3为传动链拓扑图，具体操作如下：

(1)通过ANSYS有限元软件的CAD接口导入已建立并装配完成的传动链三维实体模型；

(2)在“Engineering Data”模块设置模型材料属性，材料属性设置包含三个参数，分别是材料密度、弹性模量和泊松比；

(3)为模型设置表面接触，固连部件(叶片10-轮毂20、20轮毂-主轴30、主轴30-行星架41、太阳轮轴44-中间级低速齿轮45、中间级齿轮轴46-高速级低速齿轮47、输出轴50-刹车盘60、输出轴50-转子70)添加“Bonded”固定接触；齿轮啮合的齿面(行星轮42-齿圈43、行星轮42-太阳轮轴44、中间级低速齿轮45-中间级齿轮轴46、高速级低速齿轮47-输出轴50)添加“Frictional”摩擦接触，摩擦力设置为0.2；行星轮42与行星架41接触面添加“Frictionless”无摩擦接触；

(4)为模型创建机构运动副，齿圈43处添加“Fixed”固定副；固连部件(叶片10-轮毂20、20轮毂-主轴30、主轴30-行星架41、太阳轮轴44-中间级低速齿轮45、中间级齿轮轴46-高速级低速齿轮47、输出轴50-刹车盘60、输出轴50-转子70)添加“Fixed”固定副；旋转部件：轮毂20、主轴30、行星架41、行星轮42、太阳轮轴44、中间级低速齿轮45、中间级齿轮轴46、高速级低速齿轮47、输出轴50、刹车盘60、转子70添加“Revolute”转动副；

(5)为模型设置齿轮啮合参数，在行星轮42-齿圈43、行星轮42-太阳轮44、中间级低速齿轮45-中间级齿轮轴46、高速级低速齿轮47-输出轴50的接触齿面上分别添加“Spring”单元，并为其设置啮合刚度和啮合阻尼参数；

(6)为模型创建轴承单元，分别在主轴30、行星架41、太阳轮轴44、中间级齿轮轴46、输出轴50、转子70的轴承支撑处圆柱面添加“Bearing”单元，为其设置轴承参数；

(7)为模型进行网格划分，如图4所示：为网格划分完成的传动链有限元模型；

(8)为模型设置定位约束，在旋转部件：轮毂20、主轴30、行星架41、行星轮42、太阳轮轴44、中间级低速齿轮45、中间级齿轮轴46、高速级低速齿轮47、输出轴50、刹车盘60、转子70圆柱面添加“Frictionless Support”无摩擦约束，限制旋转部件径向、切向自由度。

第二步：模型建立完成后进行仿真计算：

(1)首先设置求解器参数；

(2)开始仿真分析计算；

(3)结果后处理：首先输出传动链所有的固有频率，以矢量箭头的形式输出位移云图，筛选出传动链的扭振频率，之后可在该扭振频率下得到传动链扭振的振型、位移量等信息；如图5所示：在3.3035Hz频率下，叶片发生了顺时针扭振，扭振最大位移是12mm；如图6所示：在2.1039Hz频率下，刹车盘50发生了逆时针扭振，扭振最大位移是94mm。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法，其特征在于：所述建模与分析方法为：首先：建立传动链动力学模型，其包括：传动链三维实体模型和传动链有限元模型；其次，对传动链有限元模型进行仿真分析，并对仿真结果进行后处理。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法，其特征在于：所述建立传动链动力学模型的方法是：

(1)采用CAD软件建立传动链三维实体模型，该传动链三维模型是关于扭振特性影响较为明显的传动链部件，包括：叶片、轮毂、主轴、齿轮传动系统、输出轴、刹车盘及发电机转子的三维实体模型，然后将传动链三维实体模型按照精确的定位关系装配成完整的传动链三维实体模型；

(2)建立传动链有限元模型，将步骤(1)得到的传动链三维实体模型导入有限元软件中，对传动链各部件设置材料属性、表面接触、运动副、齿轮啮合参数、轴承单元、定位约束、进行网格划分，形成传动链有限元模型；所述有限元软件是ANSYS有限元软件，所述传动链部件均是柔性体；

所述设置材料属是在“Engineering Data”模块中完成，材料属性设置包含三个参数，分别是材料密度、弹性模量和泊松比；

所述设置表面接触，在叶片-轮毂、轮毂-主轴、主轴-行星架、齿轮轴-齿轮、齿轮轴-刹车盘、高速轴-发电机转子的接触面上添加“Bonded”固定接触，在行星轮-齿圈、行星轮-太阳轮、中间级齿轮、高速级齿轮的啮合齿面添加“Frictional”摩擦接触，摩擦力设置为0.2，行星轮与行星架接触面添加“Frictionless”无摩擦接触；

所述创建运动副是在齿圈处添加“Body-Ground”→“Fixed”固定副，在叶片-轮毂、轮毂-主轴、主轴-行星架、齿轮轴-轮、齿轮轴-车盘、高速轴-发电机转子的接触面上添加“Body-Body”→“Fixed”固定副，在轮毂、主轴、行星架、齿轮轴、高速轴、发电机转子的圆柱面上添加“Revolute”转动副；

所述设置齿轮啮合参数，在行星轮-齿圈、行星轮-太阳轮、中间级齿轮、高速级齿轮的接触齿面上分别添加“Spring”单元，并为其设置刚度和阻尼参数，以此表示齿轮啮合实际存在的柔性；

所述设置轴承单元，在主轴、行星架、齿轮轴、高速轴、发电机转子的轴承支撑处圆柱面添加“Bearing”单元，并为其设置轴承参数；

所述设置定位约束在主轴、行星架、各级齿轮、齿轮轴、高速轴、发电机转子的圆柱面上添加“Frictionless Support”无摩擦约束，限制旋转部件径向、切向自由度；在主轴、行星架、各级齿轮、齿轮轴、高速轴、发电机转子的端面上添加“Frictionless Support”无摩擦约束，限制其轴向位移自由度；

所述网格划分为自动划分网格。

3.根据权利要求1所述的一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法，其特征在于：所述对传动链有限元模型进行仿真分析方法为：

(1)设置求解器参数：所述求解器参数包括设置输出模态数、输出应力云图、输出应变云图；

(2)开始仿真分析计算：所述仿真分析计算是模态分析；

(3)结果后处理：所述结果是位移云图，所述后处理是输出矢量位移云图，并筛选扭振频率。