CN110863958A - 一种风力发电机组偏航系统关键参数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组偏航系统关键参数测试方法，在偏航减速机的输出端外壳粘贴应变片，将信号接入多通道应变采集仪，以监控偏航驱动的实际输出力矩，然后利用数显力矩扳手对偏航减速机输出端的应变片进行标定，数显力矩扳手能够直接读取偏航减速机的输入端扭矩，若数显力矩扳手受到机组空间限制，不能完整旋转一圈，则需要配置一个加载工装，最终得到偏航驱动输出端的应变片标定关系，当完成应变片的标定后，即可进行偏航系统的关键参数测试。本发明测试结果能反映实际使用工况，且成本低，只需要消耗一定数量的应变片即可，并且可以通过一系列数据处理直接或间接地得到偏航驱动、偏航轴承、偏航制动器的相关性能参数。

Description

一种风力发电机组偏航系统关键参数测试方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组偏航系统的技术领域，尤其是指一种风力发电机组偏航系统关键参数测试方法。

背景技术

业内习知，偏航系统作为风力发电机组最重要的伺服机构之一，承担着使风轮对风，保持最大的捕风能力的作用。其工作性能的好坏直接影响机组发电量的多少，也直接关系到机组安全，因此对偏航系统提出了很高的可靠性要求。

偏航系统主要由偏航驱动、偏航支座、偏航轴承、偏航制动器等部件组成，其中，偏航驱动由偏航电机、偏航减速机组成。

风力发电机组在不偏航时，由偏航制动器和偏航驱动电机尾部的电磁抱闸共同提供制动扭矩，保持机组对风状态。当风向变化，机组需要进行偏航对风时，偏航电机尾部的电磁抱闸松开，偏航制动器制动扭矩降至一个合理区间，再由偏航电机带动偏航减速机，通过偏航减速机输出端的小齿轮与偏航轴承内齿圈啮合，从而带动机组完成对风。以保证风轮处于最大捕获风能的状态，提高机组发电量。

目前，偏航有关偏航系统测试的专利技术较少，而且已有的偏航系统测试专利如下：(1)针对偏航对风误差、偏航响应等功能性参数进行的测试(CN201510977258、CN201080034069、)；(2)偏航系统单元试验(CN201310024927、CN201611220915、CN201621439088)、(3)偏航驱动优化及其测试方法(CN201811336660)。对偏航系统处于实际运行状态时，各部件的受力以及各部件的运行参数进行测试的测试方法较少(CN201910230172提出了偏航驱动的均载测试方法，但其中标定过程需要利用扭矩仪，较为繁琐，而且主要的是测试系统搭建，并未涉及如何利用测试系统进行测试，也未提到其他涉及偏航系统设计关键参数的测试方法)。

在偏航系统设计过程中，偏航减速机的传递效率、偏航轴承本身滚道的摩擦扭矩、偏航制动器摩擦片摩擦系数是偏航系统设计时的关键参数。在实际设计当中往往因为某些参数取值不准确，导致机组设计不满足要求，后续偏航系统故障频发。因此有必要采取可行的方法对这些关键参数进行样机测试，为机组优化提供数据支撑。

如果单独对偏航驱动、偏航轴承和偏航制动器性能进行测试，需要专门的测试设备，成本非常高。而且机组实际吊装完成之后，由于机组重心的前倾效果，会导致结构件产生一定的变形，使得相关部件的实际情况与单独测试时不同，致使得到的参数偏差较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种风力发电机组偏航系统关键参数测试方法，通过在机组上贴应变片的方式直接获取部件的真实受力情况，并且可以通过一些数据处理方法直接或间接地得到偏航驱动、偏航轴承、偏航制动器的相关性能参数，解决单独测试不能正确反映实际工况的不足，而且测试成本也相对于单独测试低，对偏航系统设计工作者提供可靠的数据支撑，可作为风力发电机组研发样机中偏航系统测试的常规试验进行。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风力发电机组偏航系统关键参数测试方法，所述偏航系统包括偏航驱动、偏航支座、偏航轴承、偏航制动器，所述偏航驱动由偏航电机和偏航减速机组成；首先，在偏航减速机的输出端外壳粘贴应变片，将信号接入多通道应变采集仪，以监控偏航驱动的实际输出扭矩，然后利用数显力矩扳手对偏航减速机输出端的应变片进行标定，该数显力矩扳手能够直接读取偏航减速机的输入端扭矩，若数显力矩扳手受到机组空间限制，不能完整旋转一圈，则需要配置一个加载工装，该加载工装由加力杆、芯轴、平键组成，所述芯轴的一端通过平键能够与偏航减速机的输入轴连接，其另一端形成一个能够与数显力矩扳手连接的连接头，且在靠近该连接头的位置开有一个通孔，供加力杆径向穿过芯轴，通过加力杆能够带动芯轴一起转动；其中，应变片的标定方法如下：

1)将偏航电机从偏航减速机上拆下；

2)将芯轴与偏航减速机的输入轴连接，旋转加力杆，用套筒将数显力矩扳手与芯轴的连接头连接，而后松开加力杆，用数显力矩扳手保持，由于数显力矩扳手不能完整旋转一周，而用手保持数显力矩扳手会导致输入扭矩震荡，因此，为了保持输入扭矩的稳定，将数显力矩扳手的手柄固定在特定位置，持续15～30s，记录数显力矩扳手和应变片电信号的稳定读数，如此每隔规定的扭矩间隔通过旋转加力杆往上加载，直到偏航电机的最大扭矩处停止，记录每挡读数；

3)按照规定的扭矩间隔逐渐放松，记录每挡数显力矩扳手读数，直至完全放松；

4)向反方向旋转加力杆进行加载，即如果步骤2)是顺时针方向旋转加力杆，则反方向为逆时针，反之亦然，重复步骤2)、3)；

5)如此重复步骤2)、3)、4)至少3次；

6)取下数显力矩扳手、加载工装，将偏航电机复位；

7)建立偏航驱动输出端的输出扭矩T_G与应变片电信号x之间的函数关系，即得到偏航驱动输出端的应变片标定关系：T_G＝f(x)，其中，T_G＝数显力矩扳手加载值×偏航减速机传动比，f(x)为T_G与电信号之间的拟合函数关系，为线性函数关系，后续测试中能够通过这个标定关系计算得到偏航驱动输出端的输出扭矩；

当完成应变片的标定后，即可进行偏航系统的关键参数测试，包括偏航驱动传递效率测试、偏航驱动不均载系数测试、偏航轴承摩擦扭矩测试、偏航制动器综合摩擦系数测试，具体情况如下：

a、偏航驱动传递效率测试

首先，在偏航减速机和偏航电机之间安装一台扭矩仪，实时监测偏航过程中偏航减速机的输入扭矩T_M和转速r，根据偏航驱动输出端的应变片反馈的扭矩T_G和偏航驱动减速机的传动比i₁，得偏航驱动的传递效率η为：

η＝T_G/(T_M×i₁)

b、偏航驱动不均载系数测试

在不偏航或偏航状态下提取多台偏航驱动输出端的应变片同一时刻反馈的扭矩，进行不均载系数的计算，按照如下公式进行：

K_i＝T_Gi×n/(T_G1+T_G2+T_G3+……+T_Gn)

其中，K_i表示第i台偏航驱动的不均载系数，T_Gi表示第i台偏航驱动的输出扭矩值，T_Gn表示第n台偏航驱动的输出扭矩值，n为偏航系统中偏航驱动的总数；

c、偏航轴承摩擦扭矩测试

测试时，将偏航制动器卸压，即制动压力为零，且机组外部风速低于切入风速，风力发电机组进行顺桨操作，完成后，只用其中一台或多台贴有应变片的偏航驱动进行偏航，根据偏航驱动输出扭矩的大小选择用于驱动的数量，如果偏航驱动输出扭矩偏小，则减少数量，其它偏航驱动的电磁抱闸松开，只进行空转，运用以下公式得到偏航轴承的摩擦扭矩与偏航驱动的输出扭矩之间的关系：

M_B＝[n_GDT_GD-n_GKT_GK]×i₂

其中，M_B为偏航轴承摩擦扭矩，n_GD为参与偏航的偏航驱动数量，T_GD为参与偏航的偏航驱动输出扭矩，n_GK为空转的偏航驱动数量；T_GK为空转的偏航驱动的阻扭矩，通过相同条件下减少参与偏航的偏航驱动数量，进行相同测试获取，或通过偏航驱动输出端的应变片读数获取；i₂为偏航驱动的小齿轮到偏航轴承的内齿圈的传动比；

d、偏航制动器综合摩擦系数测试

测试时，将偏航制动器的压力调至特定值，且机组外部风速低于切入风速，风力发电机组进行顺桨操作，完成后，只用其中一台或多台贴有应变片的偏航驱动进行偏航，根据偏航驱动输出扭矩的大小选择，如果偏航驱动输出扭矩偏小，则减少数量，其它偏航驱动的电磁抱闸松开，只进行空转，运用以下公式即可得到偏航制动器的综合摩擦系数与偏航驱动的输出扭矩之间的关系：

Mc＝[n_GDT_GD-n_GKT_GK]×i₂-M_B

f＝Mc/R/F

其中，Mc为偏航制动器的制动扭矩，f为偏航系统所有偏航制动器的综合摩擦系数，R为偏航制动器的有效制动半径；F为所有偏航制动器对制动盘产生的总的夹紧力，通过制动器在测试中的保持压力和制动器参数计算得到。

进一步，所述芯轴与数显力矩扳手连接的连接头为六角头。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本方案的测试结果能反映实际使用工况，且成本上优势较高，只需要消耗一定数量的应变片即可，其它测试设备，如采集仪、信号线等均可重复利用。

本方案提到的应变片标定方法，相对于用扭矩仪来标定而言，不需要反复拆装扭矩仪，而且可以在现场直接记录标定数据，不需要再进行数据处理提取标定数据。

本方案完善了偏航系统的测试内容，如偏航驱动传动效率测试、偏航驱动不均载系数测试、偏航轴承摩擦扭矩测试和偏航制动器综合摩擦系数测试等。这些参数有助于为偏航系统设计提供实际数据支撑，可为偏航系统优化提供依据。

附图说明

图1为偏航系统结构剖面示意图。

图2为加载工装结构示意图。

图3为加载工装与偏航减速机连接方式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，风力发电机组的偏航系统包括偏航驱动1、偏航支座2、偏航轴承3、偏航制动器4，所述偏航驱动1由偏航电机5和偏航减速机6组成。

本实施例所提供的风力发电机组偏航系统关键参数测试方法，具体是：首先，在偏航减速机6的输出端外壳粘贴应变片(图中未画出)，将信号接入多通道应变采集仪，以监控偏航驱动1的实际输出扭矩，然后利用数显力矩扳手对偏航减速机6输出端的应变片进行标定，该数显力矩扳手能够直接读取偏航减速机6的输入端扭矩，由于数显力矩扳手的手柄比较长，若数显力矩扳手受到机组空间限制，不能完整旋转一圈，则需要配置一个加载工装7，如图2所示，该加载工装7由加力杆8、芯轴9、平键10组成，所述芯轴9的一端通过平键10能够与偏航减速机6的输入轴连接，其另一端形成一个能够与数显力矩扳手连接的六角头，且在靠近该六角头的位置开有一个通孔，供加力杆8径向穿过芯轴9，通过加力杆8能够带动芯轴9一起转动。其中，应变片的标定方法如下：

1)将偏航电机5从偏航减速机6上拆下；

2)如图3所示，将芯轴9与偏航减速机6的输入轴连接，旋转加力杆8(顺时针或逆时针方向)，到一定程度时，将数显力矩扳手通过套筒与芯轴9的六角头连接，而后松开加力杆8，用数显力矩扳手保持，由于数显力矩扳手不能完整旋转一周，而用手保持数显力矩扳手会导致输入扭矩震荡，因此，为了保持输入扭矩的稳定，将数显力矩扳手的手柄固定在特定位置，持续15～30s，记录数显力矩扳手和应变片电信号的稳定读数，如此每隔一定的扭矩间隔通过旋转加力杆8往上加载，直到偏航电机5的最大扭矩处停止，记录每挡读数；

3)按照一定的扭矩间隔逐渐放松，记录每挡数显力矩扳手读数，直至完全放松；

4)向反方向旋转加力杆8进行加载(若开始是顺时针加载，则反方向为逆时针，反之亦然)，重复步骤2)、3)；

5)如此重复步骤2)、3)、4)至少3次；

6)取下数显力矩扳手、加载工装，将偏航电机5复位；

7)建立偏航驱动1输出端的输出扭矩T_G与应变片电信号x之间的函数关系，即得到偏航驱动1输出端的应变片标定关系：T_G＝f(x)，其中，T_G(后文出现的T_Gi、T_Gn、T_Gk都可通过该标定公式计算得到)＝数显力矩扳手加载值×偏航减速机传动比，f(x)为T_G与电信号之间的拟合函数关系，通常为线性函数关系，后续测试中可通过这个标定关系计算得到偏航驱动1输出端的输出扭矩。

如需测试多台偏航驱动1，可选择需要进行测试的偏航驱动1重复上述步骤。

当完成应变片的标定后，即可进行偏航系统的关键参数测试，包括偏航驱动传递效率测试、偏航驱动不均载系数测试、偏航轴承摩擦扭矩测试、偏航制动器综合摩擦系数测试，具体情况如下：

a、偏航驱动传递效率测试

首先，在偏航减速机6和偏航电机5之间安装一台扭矩仪，实时监测偏航过程中偏航减速机6的输入扭矩T_M和转速r，根据偏航驱动输出端的应变片反馈的扭矩T_G和偏航驱动减速机6的传动比i₁，得偏航驱动1的传递效率η为：

η＝T_G/(T_M×i₁)

b、偏航驱动不均载系数测试

可在任何情况下(不偏航或偏航状态)提取多台偏航驱动1输出端的应变片同一时刻反馈的扭矩，进行不均载系数的计算，按照如下公式进行：

K_i＝T_Gi×n/(T_G1+T_G2+T_G3+……+T_Gn)

其中，K_i表示第i台偏航驱动1的不均载系数，T_Gi表示第i台偏航驱动1的输出扭矩值，T_Gn表示第n台偏航驱动1的输出扭矩值，n为偏航系统中偏航驱动1的总数。

c、偏航轴承摩擦扭矩测试

测试时，将偏航制动器4卸压，即制动压力为零，且机组外部风速低于切入风速(推荐3m/s以下)，风力发电机组进行顺桨操作，完成后，只用其中一台或多台贴有应变片的偏航驱动1进行偏航(根据偏航驱动1输出扭矩的大小选择用于驱动的数量，如果偏航驱动1输出扭矩偏小，则可减少数量)，其它偏航驱动1的电磁抱闸松开，只进行空转，运用以下公式得到偏航轴承3的摩擦扭矩与偏航驱动1的输出扭矩之间的关系：

M_B＝[n_GDT_GD-n_GKT_GK]×i₂

其中，M_B为偏航轴承摩擦扭矩，n_GD为参与偏航的偏航驱动1数量，T_GD为参与偏航的偏航驱动1输出扭矩，n_GK为空转的偏航驱动1数量，T_GK为空转的偏航驱动1的阻扭矩(可通过相同条件下减少参与偏航的偏航驱动1数量，进行相同测试获取，也可通过偏航驱动1输出端的应变片读数获取)，i₂为偏航驱动1的小齿轮到偏航轴承3的内齿圈的传动比。

d、偏航制动器综合摩擦系数测试

测试时，将偏航制动器4的压力调至特定值(按测试需求而定)，且机组外部风速低于切入风速(推荐3m/s以下)，风力发电机组进行顺桨操作，完成后，只用其中一台或多台贴有应变片的偏航驱动1进行偏航(根据偏航驱动1输出扭矩的大小选择，如果偏航驱动1输出扭矩偏小，则可减少数量)，其它偏航驱动1的电磁抱闸松开，只进行空转，运用以下公式即可得到偏航制动器4的综合摩擦系数与偏航驱动1的输出扭矩之间的关系：

Mc＝[n_GDT_GD-n_GKT_GK]×i₂-M_B

f＝Mc/R/F

其中，Mc为偏航制动器4的制动扭矩，f为偏航系统所有偏航制动器4的综合摩擦系数，R为偏航制动器4的有效制动半径；F为所有偏航制动器4对制动盘产生的总的夹紧力，可通过制动器在测试中的保持压力和制动器参数计算得到。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种风力发电机组偏航系统关键参数测试方法，所述偏航系统包括偏航驱动、偏航支座、偏航轴承、偏航制动器，所述偏航驱动由偏航电机和偏航减速机组成；其特征在于：首先，在偏航减速机的输出端外壳粘贴应变片，将信号接入多通道应变采集仪，以监控偏航驱动的实际输出扭矩，然后利用数显力矩扳手对偏航减速机输出端的应变片进行标定，该数显力矩扳手能够直接读取偏航减速机的输入端扭矩，若数显力矩扳手受到机组空间限制，不能完整旋转一圈，则需要配置一个加载工装，该加载工装由加力杆、芯轴、平键组成，所述芯轴的一端通过平键能够与偏航减速机的输入轴连接，其另一端形成一个能够与数显力矩扳手连接的连接头，且在靠近该连接头的位置开有一个通孔，供加力杆径向穿过芯轴，通过加力杆能够带动芯轴一起转动；其中，应变片的标定方法如下：

1)将偏航电机从偏航减速机上拆下；

2)将芯轴与偏航减速机的输入轴连接，旋转加力杆，用套筒将数显力矩扳手与芯轴的连接头连接，而后松开加力杆，用数显力矩扳手保持，由于数显力矩扳手不能完整旋转一周，而用手保持数显力矩扳手会导致输入扭矩震荡，因此，为了保持输入扭矩的稳定，将数显力矩扳手的手柄固定在特定位置，持续15～30s，记录数显力矩扳手和应变片电信号的稳定读数，如此每隔规定的扭矩间隔通过旋转加力杆往上加载，直到偏航电机的最大扭矩处停止，记录每挡读数；

3)按照规定的扭矩间隔逐渐放松，记录每挡数显力矩扳手读数，直至完全放松；

4)向反方向旋转加力杆进行加载，即如果步骤2)是顺时针方向旋转加力杆，则反方向为逆时针，反之亦然，重复步骤2)、3)；

5)如此重复步骤2)、3)、4)至少3次；

6)取下数显力矩扳手、加载工装，将偏航电机复位；

7)建立偏航驱动输出端的输出扭矩T_G与应变片电信号x之间的函数关系，即得到偏航驱动输出端的应变片标定关系：T_G＝f(x)，其中，T_G＝数显力矩扳手加载值×偏航减速机传动比，f(x)为T_G与电信号之间的拟合函数关系，为线性函数关系，后续测试中能够通过这个标定关系计算得到偏航驱动输出端的输出扭矩；

当完成应变片的标定后，即可进行偏航系统的关键参数测试，包括偏航驱动传递效率测试、偏航驱动不均载系数测试、偏航轴承摩擦扭矩测试、偏航制动器综合摩擦系数测试，具体情况如下：

a、偏航驱动传递效率测试

首先，在偏航减速机和偏航电机之间安装一台扭矩仪，实时监测偏航过程中偏航减速机的输入扭矩T_M和转速r，根据偏航驱动输出端的应变片反馈的扭矩T_G和偏航驱动减速机的传动比i₁，得偏航驱动的传递效率η为：

η＝T_G/(T_M×i₁)

b、偏航驱动不均载系数测试

在不偏航或偏航状态下提取多台偏航驱动输出端的应变片同一时刻反馈的扭矩，进行不均载系数的计算，按照如下公式进行：

K_i＝T_Gi×n/(T_G1+T_G2+T_G3+……+T_Gn)

其中，K_i表示第i台偏航驱动的不均载系数，T_Gi表示第i台偏航驱动的输出扭矩值，T_Gn表示第n台偏航驱动的输出扭矩值，n为偏航系统中偏航驱动的总数；

c、偏航轴承摩擦扭矩测试

测试时，将偏航制动器卸压，即制动压力为零，且机组外部风速低于切入风速，风力发电机组进行顺桨操作，完成后，只用其中一台或多台贴有应变片的偏航驱动进行偏航，根据偏航驱动输出扭矩的大小选择用于驱动的数量，如果偏航驱动输出扭矩偏小，则减少数量，其它偏航驱动的电磁抱闸松开，只进行空转，运用以下公式得到偏航轴承的摩擦扭矩与偏航驱动的输出扭矩之间的关系：

M_B＝[n_GDT_GD-n_GKT_GK]×i₂

其中，M_B为偏航轴承摩擦扭矩，n_GD为参与偏航的偏航驱动数量，T_GD为参与偏航的偏航驱动输出扭矩，n_GK为空转的偏航驱动数量；T_GK为空转的偏航驱动的阻扭矩，通过相同条件下减少参与偏航的偏航驱动数量，进行相同测试获取，或通过偏航驱动输出端的应变片读数获取；i₂为偏航驱动的小齿轮到偏航轴承的内齿圈的传动比；

d、偏航制动器综合摩擦系数测试

测试时，将偏航制动器的压力调至特定值，且机组外部风速低于切入风速，风力发电机组进行顺桨操作，完成后，只用其中一台或多台贴有应变片的偏航驱动进行偏航，根据偏航驱动输出扭矩的大小选择，如果偏航驱动输出扭矩偏小，则减少数量，其它偏航驱动的电磁抱闸松开，只进行空转，运用以下公式即可得到偏航制动器的综合摩擦系数与偏航驱动的输出扭矩之间的关系：

Mc＝[n_GDT_GD-n_GKT_GK]×i₂-M_B

f＝Mc/R/F

其中，Mc为偏航制动器的制动扭矩，f为偏航系统所有偏航制动器的综合摩擦系数，R为偏航制动器的有效制动半径；F为所有偏航制动器对制动盘产生的总的夹紧力，通过制动器在测试中的保持压力和制动器参数计算得到。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组偏航系统关键参数测试方法，其特征在于：所述芯轴与数显力矩扳手连接的连接头为六角头。

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