CN113720606A - 一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械设计工具及方法，具体是一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具及设计方法，包括安装在底座上的固定环和转动设置在固定环内的夹持机构，夹持机构的内侧设置有第一检测组件；在夹持机构的外侧设置有第二检测组件；利用第一检测组件和第二检测组件对轴的弯曲振动参数和扭转振动参数测量，将测得的结果与模拟的参数对照，以验证模拟结果；在设定好模拟系数后，即可采用等价原则计算出模拟轴系的结构参数和载荷参数，模拟轴系直径、模拟轴系长度、模拟轴系弯矩载荷、模拟轴系扭矩载荷、模拟轴系转动惯量；所涉及的模拟轴系和真实轴系具有相同的弯曲振动特性和扭转振动特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电机组试验技术领域，具体是一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具及设计方法。
背景技术
直驱永磁风电机组不需要齿轮箱，具有如下优点：减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著；简化了传动结构，提高了机组的工作可靠性；避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本；具有低电压穿越能力，电网接入性能优异。
上述优点使得直驱永磁风电机组应用日趋广泛，但与此同时，由于发电机轴直接连接到叶轮轴上，叶轮在不稳定风作用下的时变弯矩和扭矩会直接作用在发电机轴上，从而引起发电机轴产生弯扭耦合振动。当直驱永磁风电机组轴系结构参数为特定值时，叶轮输出的时变弯矩和扭矩有可能引发轴系产生共振，对轴系安全稳定运行构成严重威胁。
为确保直驱永磁风电机组安全稳定运行，有必要对风电机组轴系的弯曲振动特性和扭转振动特性开展研究，以期在设计和试验阶段消除轴系发生共振的隐患。通过试验研究是最可靠的研究方法，但存在试验成本极高的缺点，目前很少有应用案例。通过仿真研究可以节约试验成本和试验时间，是目前广泛采用的研究方法，但研究结论的可靠性难以得到保障。采用模拟试验是当前的研究热点，通过在实验室开展模拟试验，可以更真实的掌握轴系的振动特性，为轴系的安全稳定运行提供技术支撑。模拟试验研究的难点在于准确地模拟轴系的弯曲振动特性和扭转振动特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具及设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具，包括安装在底座上的固定环和转动设置在所述固定环内的夹持机构，所述夹持机构的内侧设置有用于检测轴系扭转振动的第一检测组件；
在所述夹持机构的外侧设置有用于检测轴系弯曲振动的第二检测组件，在所述底座上设置有同所述夹持机构连接用于驱动夹持机构固定的轴线转动的动力结构；
在所述夹持机构的一端设置有用于将所述夹持机构撑开的顶开结构，所述夹持机构与所述固定环之间通过滚动结构转动连接。
作为本发明进一步的方案：所述滚动结构包括固定在所述夹持机构外壁上的转动环，在所述转动环的外壁上开设有两圈弧形轨道，固定环的内壁上对应也开设有两圈弧形轨道，在所述转动环与所述固定环上的弧形轨道之间沿圆周滚动设置有多个滚珠，所述滚珠的直径与所述弧形轨道的直径适配。
作为本发明再进一步的方案：所述夹持机构包括固定在所述转动环内壁上的随动环和沿圆周设置在所述随动环内侧的多个弧形夹持板，所述弧形夹持板与所述随动环同心；
在所述弧形夹持板的外壁上固定有销轴，所述销轴同所述随动环内壁上的销座转动连接，所述第一检测组件设置在所述弧形夹持板的内壁上，第二检测组件设置在所述随动环与所述弧形夹持板之间。
作为本发明再进一步的方案：所述第一检测组件包括滑动设置在所述弧形夹持板内壁上的卡板，所述卡板的外壁上固定有滑块，在所述弧形夹持板的内壁上开设有同所述滑块相适配的滑槽，所述滑块滑动嵌合在所述滑槽内；
在所述弧形夹持板的边缘固定有套件，所述卡板的边缘转动安装有转柱，所述转柱与所述套件之间设置有扭簧；
其中，扭簧的一边固定套合在所述套件上，其另一边搭接在所述转柱上。
作为本发明再进一步的方案：所述第二检测组件包括沿圆周开设于所述随动环上的多个导孔，在所述弧形夹持板上固定有同所述导孔适配的导向柱，所述导向柱上套设有压簧，所述压簧的一端同所述弧形夹持板抵接，另一端同所述随动环的内壁抵接。
作为本发明再进一步的方案：所述动力结构包括安装在所述底座上的马达、连接所述马达输出端的转轴、固定在所述转轴上的齿轮；
在所述随动环的外壁上沿圆周等距设置有多个同所述齿轮配合的齿牙。
作为本发明再进一步的方案：所述顶开结构包括设置在所述随动环临近齿牙一端的锥形盘，所述锥形盘中心固定连接活塞杆，所述活塞杆同气缸配合，所述气缸安装在承台上，承台固定在所述底座的上方；
所述弧形夹持板临近锥形盘的一端设置有圆角。
一种直驱永磁风电机组模拟轴系设计方法，包括如下步骤：
选择模拟系数k，采用等价原则计算出模拟轴系的直径、长度、弯矩载荷、扭矩载荷、转动惯量，确保模拟轴系和真实轴系具有相同的弯曲振动特性和扭转振动特性；
其中，模拟轴系的直径ds＝dr/k，模拟轴系的长度ls＝lr/k，模拟轴系的弯矩载荷Ms＝Mr/k4，模拟轴系的扭矩载荷Ts＝Tr/k4，模拟轴系的惯量Js＝Jr/k4，模拟系数k＞1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：选取与模拟的轴系参数相同的轴并用夹持机构固定，通过启动动力结构带动该轴转动，以使其达到模拟的加速度和转速，同时利用第一检测组件和第二检测组件对轴的弯曲振动参数和扭转振动参数测量，将测得的结果与模拟的参数对照，以验证模拟结果；
采用本发明的方法在设定好模拟系数k后，即可采用等价原则计算出模拟轴系的结构参数和载荷参数，模拟轴系直径、模拟轴系长度、模拟轴系弯矩载荷、模拟轴系扭矩载荷、模拟轴系转动惯量；所涉及的模拟轴系和真实轴系具有相同的弯曲振动特性和扭转振动特性。
附图说明
图1为直驱永磁风电机组轴系设计用工具的结构示意图。
图2为直驱永磁风电机组轴系设计用工具中拆除固定环和底座后的结构示意图。
图3为直驱永磁风电机组轴系设计用工具中将其中一个弧形夹持板拆解的结构示意图。
图4为直驱永磁风电机组轴系设计用工具中第一检测组件和第二检测组件的结构示意图。
图5为直驱永磁风电机组轴系设计方法实施例中真实轴系模型图。
图6为直驱永磁风电机组轴系设计方法实施例中模拟轴系模型图。
图中：1-固定环；2-底座；3-转动环；4-随动环；5-弧形夹持板；6-销轴；7-导向柱；8-压簧；9-卡板；10-扭簧；11-套件；12-转柱；13-滑块；14-滑槽；15-导孔；16-滚珠；17-齿牙；18-齿轮；19-转轴；20-马达；21-承台；22-气缸；23-活塞杆；24-锥形盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明中的元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
请参阅图1～4，本发明实施例中，一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具，包括安装在底座2上的固定环1和转动设置在所述固定环1内的夹持机构，所述夹持机构的内侧设置有用于检测轴系扭转振动的第一检测组件；
在所述夹持机构的外侧设置有用于检测轴系弯曲振动的第二检测组件，在所述底座2上设置有同所述夹持机构连接用于驱动夹持机构固定的轴线转动的动力结构；
在所述夹持机构的一端设置有用于将所述夹持机构撑开的顶开结构，所述夹持机构与所述固定环1之间通过滚动结构转动连接。
在本发明实施例中，选取与模拟的轴系参数相同的轴并用夹持机构固定，通过启动动力结构带动该轴转动，以使其达到模拟的加速度和转速，同时利用第一检测组件和第二检测组件对轴的弯曲振动参数和扭转振动参数测量，将测得的结果与模拟的参数对照，以验证模拟结果；
通过设置的顶开结构方便将夹持机构撑开，以将待测量的轴装入到夹持机构中。
作为本发明的一种实施例，所述滚动结构包括固定在所述夹持机构外壁上的转动环3，在所述转动环3的外壁上开设有两圈弧形轨道，固定环1的内壁上对应也开设有两圈弧形轨道，在所述转动环3与所述固定环1上的弧形轨道之间沿圆周滚动设置有多个滚珠16，所述滚珠16的直径与所述弧形轨道的直径适配。
在本发明实施例中，利用滚珠16和弧形轨道配合实现固定环1和转动环3的转动连接，且转动阻力较小；
弧形轨道的设置可防止转动环3和固定环1之间发生轴向错位，另外，由于设置了多个滚珠16，因此当其中一个或几个发生磨损后还有其他滚珠16代替，使得整个工具的实用寿命较长。
作为本发明的一种实施例，所述夹持机构包括固定在所述转动环3内壁上的随动环4和沿圆周设置在所述随动环4内侧的多个弧形夹持板5，所述弧形夹持板5与所述随动环4同心；
在所述弧形夹持板5的外壁上固定有销轴6，所述销轴6同所述随动环4内壁上的销座转动连接，所述第一检测组件设置在所述弧形夹持板5的内壁上，第二检测组件设置在所述随动环4与所述弧形夹持板5之间。
在本发明实施例中，通过销轴6连接在随动环4内壁上的多个弧形夹持板5可以绕销轴6摆动，从而能够在轴发生弯曲振动时检测其弯曲力，进而对弯曲振动系数检测；
设置在弧形夹持板5的内壁上的第一检测组件可以直接与轴贴合固定，当发生扭转振动时，轴可带动第一检测组件相对弧形夹持板5产生小角度的扭转，如此对扭转振动系数检测。
作为本发明的一种实施例，所述第一检测组件包括滑动设置在所述弧形夹持板5内壁上的卡板9，所述卡板9的外壁上固定有滑块13，在所述弧形夹持板5的内壁上开设有同所述滑块13相适配的滑槽14，所述滑块13滑动嵌合在所述滑槽14内；
在所述弧形夹持板5的边缘固定有套件11，所述卡板9的边缘转动安装有转柱12，所述转柱12与所述套件11之间设置有扭簧10；
其中，扭簧10的一边固定套合在所述套件11上，其另一边搭接在所述转柱12上。
需要注意的是，转柱12处于所述卡板19的内径范围之外，在轴转动的过程中，若产生扭转振动，则轴会带动卡板9相对弧形夹持板5转动极小的角度，此时转柱12会挤压扭簧10的一边，通过在套件11处安装压力传感器便可检测此时的扭转力。
作为本发明的一种实施例，所述第二检测组件包括沿圆周开设于所述随动环4上的多个导孔15，在所述弧形夹持板5上固定有同所述导孔15适配的导向柱7，所述导向柱7上套设有压簧8，所述压簧8的一端同所述弧形夹持板5抵接，另一端同所述随动环4的内壁抵接。
在本发明实施例中，通过在随动环4的内壁上安装另一压力传感器则可在弧形夹持板5绕销轴6摆动时检测到轴的弯曲振动系数，注意的是，导孔15的内径略大于导向柱7的外径，从而使得在弧形夹持板5发生小幅度摆动时能够在导孔15内滑动。
作为本发明的一种实施例，所述动力结构包括安装在所述底座2上的马达20、连接所述马达20输出端的转轴19、固定在所述转轴19上的齿轮18；
在所述随动环4的外壁上沿圆周等距设置有多个同所述齿轮18配合的齿牙17。
在本发明实施例中，当马达20工作时带动转轴19高速转动，高速转动的转轴19带动齿轮18同步高速转动，借助齿轮18与随动环2上的齿牙17配合驱动随动环4反向高速转动，使得随动环4和弧形夹持板5以及卡板9跟随反向高速转动，最终带动轴转动。
作为本发明的一种实施例，所述顶开结构包括设置在所述随动环4临近齿牙17一端的锥形盘24，所述锥形盘24中心固定连接活塞杆23，所述活塞杆23同气缸22配合，所述气缸22安装在承台21上，承台21固定在所述底座2的上方；
所述弧形夹持板5临近锥形盘24的一端设置有圆角。
在本发明实施例中，利用气缸22带动活塞杆23伸长从而带动锥形盘24向弧形夹持板5的尾端靠近，当锥形盘24与弧形夹持板5的尾端贴合后，锥形盘24继续推进则会带动弧形夹持板5绕销轴6摆动，将其另一端撑开，方便将轴夹持于多个弧形夹持板5之间；
设置的圆角在于减小弧形夹持板5的尾端与锥形盘24的摩擦。
本发明还提供了一种直驱永磁风电机组模拟轴系设计方法，用于在实验室开展轴系弯曲振动和扭转振动特性试验研究，具体是：
选择模拟系数k，采用等价原则计算出模拟轴系的直径、长度、弯矩载荷、扭矩载荷、转动惯量，确保模拟轴系和真实轴系具有相同的弯曲振动特性和扭转振动特性；
其中，模拟轴系的直径ds＝dr/k，模拟轴系的长度ls＝lr/k，模拟轴系的弯矩载荷Ms＝Mr/k4，模拟轴系的扭矩载荷Ts＝Tr/k4，模拟轴系的惯量Js＝Jr/k4，模拟系数k的选择可以根据实验室的具体情况合理选择，一般来说，k＞1。
直驱永磁风电机组模拟轴系设计方法，合理选取模拟系数k，以真实风电机组轴系直径dr为基本设计参数，采用模拟系数k计算模拟轴系的直径ds、模拟轴系的长度ls，通过弯曲刚度等价原则和扭转刚度等价原则计算模拟轴系弯矩载荷Ms和模拟扭矩载荷Ts，通过加速度等价原则计算模拟轴系转动惯量Js。
作为本发明的一种实施例，按照模拟轴系的尺寸和载荷研制试验台，开展模拟轴系弯曲振动试验和扭转振动试验，即可准确获取风电机组真实轴系的振动特性。
模拟轴系主要结构参数和载荷参数计算方法如下：
1)模拟轴系的长度和直径具有相同的量纲，因此模拟轴系长度的模拟系数为k。
2)轴系弯矩按照弯曲刚度等价原则计算，弯曲刚度的表征参数为挠度y，其计算公式为：
式中，q为作用力，单位为N，l为作用力的距离，单位为m，E为材料的弹性模量，单位为Pa，d为轴的直径，单位为mm，由式(1)可知，模拟轴系弯矩载荷Ms的模拟系数为k4。
3)轴系扭矩按照扭转刚度等价原则计算，扭转刚度的表征参数为单位长度扭转角θ，其计算公式为：
式中，T为作用转矩，单位为N.m，d为轴的直径，单位为mm，G为材料的剪切模量，单位为Pa，由式(2)可知，模拟轴系扭矩载荷Ts的模拟系数为k4。
4)轴系模拟转动惯量按加速度等价原则计算，模拟轴系的旋转动力学方程为：
Ts＝Jsβ (3)
式中，Ts为模拟转矩载荷，单位为N.m，β为轴的角加速度，单位为rad/s2。要保持β不变，由式(3)可知，模拟轴系转动惯量Js的模拟系数为k4。
如图5和图6所示，本实施例的直驱永磁风电机组真实轴系模型，其结构参数和载荷参数为：轴系直径dr，轴系长度lr，轴系弯矩载荷Mr，轴系扭矩载荷Tr，轴系转动惯量Jr。
直驱永磁风电机组真实轴系尺寸和载荷通常比较大，例如，以某型风电机组为例，dr＝300mm，lr＝2800mm，Mr＝5×104N.m，Tr＝1.5×105N.m，Jr＝1.8×108kg.m2，如果在实验室按1∶1尺寸设计试验装置，则需要耗费极大的成本，可行性很小。
根据本发明提出的模拟轴系装置设计方法，取模拟系数k＝10，
则模拟轴系的直径ds＝dr/10＝30mm，
模拟轴系的长度ls＝lr/10＝280mm，
模拟轴系弯矩载荷Ms＝Mr/104＝5N.m，
模拟轴系扭矩载荷Ts＝Ts/104＝15N.m，
模拟轴系转动惯量Js＝Js/104＝1.8×104kg.m2。
对比真实轴系和模拟轴系的结构尺寸和载荷幅值可知，模拟轴系的结构尺寸明显减少，载荷幅值显著减少，使得在实验室开展直驱永磁风电机组轴系弯扭振动特性研究成为现实。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具，其特征在于，包括安装在底座(2)上的固定环(1)和转动设置在所述固定环(1)内的夹持机构，所述夹持机构的内侧设置有用于检测轴系扭转振动的第一检测组件；
在所述夹持机构的外侧设置有用于检测轴系弯曲振动的第二检测组件，在所述底座(2)上设置有同所述夹持机构连接用于驱动夹持机构固定的轴线转动的动力结构；
在所述夹持机构的一端设置有用于将所述夹持机构撑开的顶开结构，所述夹持机构与所述固定环(1)之间通过滚动结构转动连接。
2.根据权利要求1所述的一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具，其特征在于，所述滚动结构包括固定在所述夹持机构外壁上的转动环(3)，在所述转动环(3)的外壁上开设有两圈弧形轨道，固定环(1)的内壁上对应也开设有两圈弧形轨道，在所述转动环(3)与所述固定环(1)上的弧形轨道之间沿圆周滚动设置有多个滚珠(16)，所述滚珠(16)的直径与所述弧形轨道的直径适配。
3.根据权利要求2所述的一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具，其特征在于，所述夹持机构包括固定在所述转动环(3)内壁上的随动环(4)和沿圆周设置在所述随动环(4)内侧的多个弧形夹持板(5)，所述弧形夹持板(5)与所述随动环(4)同心；
在所述弧形夹持板(5)的外壁上固定有销轴(6)，所述销轴(6)同所述随动环(4)内壁上的销座转动连接，所述第一检测组件设置在所述弧形夹持板(5)的内壁上，第二检测组件设置在所述随动环(4)与所述弧形夹持板(5)之间。
4.根据权利要求3所述的一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具，其特征在于，所述第一检测组件包括滑动设置在所述弧形夹持板(5)内壁上的卡板(9)，所述卡板(9)的外壁上固定有滑块(13)，在所述弧形夹持板(5)的内壁上开设有同所述滑块(13)相适配的滑槽(14)，所述滑块(13)滑动嵌合在所述滑槽(14)内；
在所述弧形夹持板(5)的边缘固定有套件(11)，所述卡板(9)的边缘转动安装有转柱(12)，所述转柱(12)与所述套件(11)之间设置有扭簧(10)；
其中，扭簧(10)的一边固定套合在所述套件(11)上，其另一边搭接在所述转柱(12)上。
5.根据权利要求3所述的一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具，其特征在于，所述第二检测组件包括沿圆周开设于所述随动环(4)上的多个导孔(15)，在所述弧形夹持板(5)上固定有同所述导孔(15)适配的导向柱(7)，所述导向柱(7)上套设有压簧(8)，所述压簧(8)的一端同所述弧形夹持板(5)抵接，另一端同所述随动环(4)的内壁抵接。
6.根据权利要求4所述的一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具，其特征在于，所述动力结构包括安装在所述底座(2)上的马达(20)、连接所述马达(20)输出端的转轴(19)、固定在所述转轴(19)上的齿轮(18)；
在所述随动环(4)的外壁上沿圆周等距设置有多个同所述齿轮(18)配合的齿牙(17)。
7.根据权利要求3所述的一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具，其特征在于，所述顶开结构包括设置在所述随动环(4)临近齿牙(17)一端的锥形盘(24)，所述锥形盘(24)中心固定连接活塞杆(23)，所述活塞杆(23)同气缸(22)配合，所述气缸(22)安装在承台(21)上，承台(21)固定在所述底座(2)的上方；
所述弧形夹持板(5)临近锥形盘(24)的一端设置有圆角。
8.一种直驱永磁风电机组模拟轴系设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择模拟系数k，采用等价原则计算出模拟轴系的直径、长度、弯矩载荷、扭矩载荷、转动惯量，确保模拟轴系和真实轴系具有相同的弯曲振动特性和扭转振动特性；
其中，模拟轴系的直径ds＝dr/k，模拟轴系的长度ls＝lr/k，模拟轴系的弯矩载荷Ms＝Mr/k4，模拟轴系的扭矩载荷Ts＝Tr/k4，模拟轴系的惯量Js＝Jr/k4，模拟系数k＞1。
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| CN202111007951.8A Pending CN113720606A (zh) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | 一种直驱永磁风电机组轴系设计用工具及设计方法 |
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2021
- 2021-08-30 CN CN202111007951.8A patent/CN113720606A/zh active Pending
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