CN215767703U - 一种风力发电机加载试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力发电机加载试验系统，基于风机在竖直径向力和水平径向力载荷所引发的故障机理(例如轴承变形、齿轮啮合不良等)是一致的，以及故障区域在受载时应力变形也是相似的，因此在对风机进行加载试验时，可以认为其竖直径向力和水平径向力是等价的，扭转力矩和俯仰力矩也是等价的原理，将六自由度的载荷加载测试简化为四自由度载荷加载测试，通过采用两台风机对拖的方式进行，由原动风机向被测风机提供转矩载荷，由加载装置向被测风机提供轴向力载荷、竖直径向力载荷和扭转力矩，该四自由度载荷加载测试与六自由度的载荷加载测试效果基本相同，同时在结构和控制上更为简单，并极大地降低了成本。

Description

一种风力发电机加载试验系统

技术领域

本实用新型涉及风力发电机的技术领域，尤其是指一种风力发电机加载试验系统。

背景技术

随着风力发电机组的功率和载荷的提高，对于风机传动链的可靠性要求也越来越高，因此多自由度加载成为未来风机测试领域中重要的一环。通过对传动链进行加载，模拟风机受到的风载荷，以测试传动链中轴承、齿轮和发电机等部件的运行情况。

目前风力发电机试验台的多自由度加载方式主要有两种，一种是利用多连杆并联组成的六自由度平台，另一种是由圆盘液压支撑的六自由度试验台。上述两种方案，均需要大量的投资，成本高昂。同时为了承受巨大的载荷，对地基强度提出了较高的要求，需要建造大型混凝土墙以固定加载装置，建设成本高，且占地面积大。同时在控制上由于存在多个液压缸，使试验台的整体控制更加困难复杂。另外采用上述两种方案在进行风机转矩加载测试时，还需要额外配置齿轮箱和发电机，通过齿轮箱和发电机提供转矩对风机进行测试，进一步增加了风机测试的成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风力发电机加载试验系统，基于风机在竖直径向力和水平径向力载荷所引发的故障机理(例如轴承变形、齿轮啮合不良等)是一致的，以及故障区域在受载时应力变形也是相似的，因此在对风机进行加载试验时，可以认为其竖直径向力和水平径向力是等价的，扭转力矩和俯仰力矩也是等价的原理，将六自由度的载荷加载测试简化为四自由度载荷加载测试，通过采用两台风机对拖的方式进行，由原动风机向被测风机提供转矩载荷，由加载装置向被测风机提供轴向力载荷、竖直径向力载荷和扭转力矩，该四自由度载荷加载测试与六自由度的载荷加载测试效果基本相同，同时在结构和控制上更为简单，并极大地降低了成本。另外通过固定桁架的设置，使被测风机、载荷传递机构和加载装置所承受的载荷通过固定桁架相互传递抵消平衡，避免载荷传递到混凝土地基，混凝土地基只起到基础的固定作用，因此大大降低了混凝土地基的强度要求和建设成本。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种风力发电机加载试验系统，包括固定地轨、原动风机、被测风机、偏航承载底座、偏航转接法兰、鼓形齿联轴器、转接法兰、载荷传递机构、加载装置和固定桁架，所述固定地轨预埋在混凝土地基中，所述偏航承载底座有两个，对称装于固定地轨的左右两侧，所述原动风机和被测风机分别通过偏航转接法兰对称安装在两个偏航承载底座上，所述载荷传递机构设于原动风机和被测风机之间，其一端通过鼓形齿联轴器与原动风机连接，其另一端通过转接法兰与被测风机连接，通过变频器驱动原动风机反转进而向被测风机提供转矩Mx，所述加载装置有两个，对称设于载荷传递机构的前后两侧，用于向被测风机提供轴向力载荷Fx、竖直径向力载荷Fz和扭转力矩Mz，所述固定桁架有两个，对称设于固定地轨的前后两侧，并分别与对应侧的加载装置和被测风机下方的偏航承载底座连接，通过固定桁架使载荷在被测风机、载荷传递机构和加载装置之间进行传递。

进一步，所述载荷传递机构包括轴承座、轴承和轴，所述轴承有两个，分别用于承受径向载荷和轴向载荷，该两个轴承设于轴承座的左右两侧，分别通过各自的外圈与轴承座固定连接，且该两个轴承的内圈分别与鼓形齿联轴器和转接法兰连接，所述轴设于两个轴承之间，其左右两端分别连接在两个轴承的内圈上。

进一步，所述加载装置包括加载球铰结构、轴套、铰接吊环头、竖直液压缸和轴向液压缸，所述加载球铰结构的球铰连杆固定于载荷传递机构的轴承座的一端上，其球铰座的外周面上通过轴套铰接有两个铰接吊环头，通过轴套将两个铰接吊环头的轴向固定，以防止两者相互接触，所述竖直液压缸和轴向液压缸分别固定在固定桁架上，并分别与两个铰接吊环头连接，所述竖直液压缸用于提供竖直径向力Fz，所述轴向液压缸用于提供轴向推拉力Fx和扭转力矩Mz，通过加载球铰结构能够将竖直液压缸和轴向液压缸提供的多个方向的载荷通过载荷传递机构传递到被测风机上，且两个铰接吊环头的吊环中心点与球铰连杆的球心重合，从而保证竖直液压缸和轴向液压缸提供的多个方向的载荷均经过球铰连杆的球心进而传递到被测风机上。

进一步，所述加载球铰结构包括球铰座、环形球铰盖板和球铰连杆，所述球铰座的外周面为销轴结构，且销轴结构的一端设有轴肩，其另一端加工有挡圈槽，用于安装挡圈，通过轴肩和挡圈对铰接在球铰座外周面上的两个铰接吊环头起到轴向限位作用，所述环形球铰盖板固定在球铰座上，并与球铰座相配合形成用于容纳球铰连杆的球体的空间，所述球铰连杆包括依次连接的球体、连接杆和销轴法兰结构，所述球体铰接在球铰座和环形球铰盖板相配合所形成的空间内，所述连接杆穿过环形球铰盖板的中心孔，且其与球体在连接处相切，以保证球体的活动自由度以及承载强度，所述销轴法兰结构通过螺栓与载荷传递机构的轴承座相连接，保证加载球铰结构的抗拔强度。

进一步，所述销轴法兰结构的中心处形成有销轴，所述轴承座上相应的位置形成有销孔，通过销轴与销孔相配合提高加载球铰结构的抗剪能力。

进一步，所述环形球铰盖板由两个半月牙形盖板对接组成。

进一步，所述球铰座的内侧下部形成有用于与球铰连杆的球体相配合的半圆球空间，且内侧上部形成有用于安装环形球铰盖板的圆柱形空间，其底部加工有润滑油脂注入孔。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型的系统基于风机在竖直径向力和水平径向力载荷所引发的故障机理(例如轴承变形、齿轮啮合不良等)是一致的，以及故障区域在受载时应力变形也是相似的，因此在对风机进行加载试验时，可以认为其竖直径向力和水平径向力是等价的，扭转力矩和俯仰力矩也是等价的原理，将六自由度的载荷加载测试简化为四自由度载荷加载测试，通过采用两台风机对拖的方式进行，由原动风机向被测风机提供转矩载荷，由加载装置向被测风机提供轴向力载荷、竖直径向力载荷和扭转力矩，该四自由度载荷加载测试与六自由度的载荷加载测试效果基本相同，同时在结构和控制上更为简单，并极大地降低了成本。

2、本实用新型的系统通过固定桁架的设置，使被测风机、载荷传递机构和加载装置所承受的载荷通过固定桁架相互传递抵消平衡，避免载荷传递到混凝土地基，混凝土地基只起到基础的固定作用，因此大大降低了混凝土地基的强度要求和建设成本，同时相比于传统方案采用的混凝土墙，其占地面积更小，节省空间。

3、本实用新型的系统采用两台风机对拖的方式进行，相对于传统方案不再需要额外配置齿轮箱、发电机等设备，直接采用与被测风机相同型号的风力发电机作为原动风机，通过变频器驱动原动风机反转作为电动机提供转矩，极大降低成本。

附图说明

图1为风力发电机轮毂固定坐标系示意图。

图2为本实用新型的加载试验系统的立体结构示意图。

图3为本实用新型的加载试验系统的主视图。

图4为本实用新型的加载试验系统的俯视图。

图5为本实用新型的加载试验系统的侧视图。

图6为本实用新型的载荷传递机构和加载装置相连接的立体结构示意图。

图7为本实用新型的载荷传递机构和加载装置相连接的主视图。

图8为本实用新型的载荷传递机构和加载装置相连接的剖视图。

图9为本实用新型的载荷传递机构和加载装置相连接的侧视图。

图10为本实用新型的加载球铰结构和铰接吊环头相连接的立体结构示意图。

图11为本实用新型的加载球铰结构和铰接吊环头相连接的主视图。

图12为本实用新型的加载球铰结构和铰接吊环头相连接的侧视图。

图13为本实用新型的加载球铰结构和铰接吊环头相连接的剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

参照图1所示，风力发电机轮毂固定坐标系的原点位于轮毂中心，X轴沿着传动链轴线方向，Z轴垂直于X轴竖直向上，Y轴沿水平方向垂直于X轴。风力发电机加载试验是指针对风力发电机进行转矩Mx、轴向力Fx、竖直径向力Fz、扭转力矩Mz、水平径向力Fy和俯仰力矩My六个自由度的加载测试，由于传动链是一个中心轴对称的结构，风力发电机在竖直径向力和水平径向力载荷所引发的故障机理(例如轴承变形、齿轮啮合不良等)是一致的，以及故障区域在受载时应力变形也是相似的，因此可以认为竖直径向力Fz和水平径向力Fy在测试上是等价的，扭转力矩Mz和俯仰力矩My也是等价的，基于上述原理，因此可以将六自由度的载荷加载测试简化为四自由度的载荷加载测试，两者的测试效果基本相同。

参照图2至图5所示，本实施例所述的风力发电机加载试验系统为四自由度载荷加载试验系统，采用两台风机进行对拖的方式进行，其具体结构为：包括固定地轨1、原动风机2、被测风机3、偏航承载底座4、偏航转接法兰5、鼓形齿联轴器6、转接法兰7、载荷传递机构8、加载装置9和固定桁架10，所述偏航承载底座4有两个，对称装于固定地轨1的左右两侧，所述原动风机2和被测风机3分别通过偏航转接法兰5对称安装在两个偏航承载底座4上，且所述偏航转接法兰5采用可更换的圆筒形转接法兰7，以兼容不同型号的风机，所述载荷传递机构8设于原动风机2和被测风机3之间，其一端通过鼓形齿联轴器6与原动风机2连接，其另一端通过转接法兰7与被测风机3连接，采用变频器驱动原动风机2反转进而向被测风机3提供转矩Mx，所述加载装置9有两个，对称设于载荷传递机构8的前后两侧，用于向被测风机3提供轴向力载荷Fx、竖直径向力载荷Fz和扭转力矩Mz，所述鼓形齿联轴器6用于弥补原动风机2与载荷传递机构8之间的轴向偏差、径向偏差和角向偏差，以防止加载装置9产生的载荷通过载荷传递机构8传递到原动风机2侧，所述固定桁架10有两个，对称设于固定地轨1的前后两侧，并分别通过T型螺栓与固定地轨1的T型槽连接，防止固定桁架10发生位移，每个固定桁架10分别与对应侧的加载装置9和被测风机3下方的偏航承载底座4连接，通过固定桁架10将被测风机3、载荷传递机构8和加载装置9连接成为一个整体，使载荷在被测风机3、载荷传递机构8和加载装置9之间进行传递。

参照图6至图9所示，所述载荷传递机构8包括轴承座801、轴承802和轴803，所述轴承802有两个，分别用于承受径向载荷和轴向载荷，该两个轴承802设于轴承座801的左右两侧，分别通过各自的外圈与轴承座801固定连接，且该两个轴承802的内圈分别与鼓形齿联轴器6和转接法兰7连接，所述轴803设于两个轴承802之间，其左右两端分别连接在两个轴承802的内圈上。所述加载装置9为具有一定自由度的活动关节，能够在空间中移动位置，并将多个方向的载荷一起通过载荷传递机构8传递到被测风机3上，主要由加载球铰结构、轴套904、铰接吊环头905、竖直液压缸906和轴向液压缸907组成，所述加载球铰结构的球铰连杆903固定于载荷传递机构8的轴承座801的一端上，其球铰座901的外周面上通过轴套904铰接有两个铰接吊环头905，通过轴套904将两个铰接吊环头905的轴向固定，以防止两者相互接触，所述竖直液压缸906呈垂直于风机传动链的轴向方向设置，其底端固定在固定桁架10上，其顶端与其中一个铰接吊环头905连接，用于提供竖直径向力Fz，所述轴向液压缸907呈平行于风机传动链的轴向方向设置，其一端固定在固定桁架10上，其另一端与另一个铰接吊环头905连接，用于提供轴向推拉力Fx和扭转力矩Mz，两个铰接吊环头905的吊环中心点与球铰连杆903的球心重合，从而保证即使加载装置9或载荷传递机构8位置发生一定的变化，竖直液压缸906和轴向液压缸907提供的多个方向的载荷必须经过球铰连杆903的球心进而传递到被测风机3上，以避免加载装置9或载荷传递机构8位置变化影响测试结果。

参照图10至图13所示，所述加载球铰结构用于接收液压缸的载荷并传递至载荷传递机构8上，其具体结构包括球铰座901、环形球铰盖板902和球铰连杆903，所述球铰座901的外周面为销轴结构，销轴结构的一端设有轴肩9011，其另一端加工有挡圈槽，用于安装挡圈908，通过轴肩9011和挡圈908对铰接在球铰座901外周面上的两个铰接吊环头905起到轴向限位作用，并通过挡圈908防止铰接吊环头905发生轴向窜动导致松脱，所述球铰座901的内侧下部形成有用于与球铰连杆903的球体9031相配合的半圆球空间，且内侧上部形成有用于安装环形球铰盖板902的圆柱形空间，其底部加工有润滑油脂注入孔9012，可注射润滑油脂到球铰连杆903和球铰座901的接触面上，起到润滑作用；所述环形球铰盖板902由两个半月牙形盖板对接组成，所述半月牙形盖板的内部为凹陷球弧结构，两个半月牙形盖板对接安装在球铰座901的圆柱形空间内，与球铰座901相配合形成用于容纳球铰连杆903的球体9031的空间；所述球铰连杆903包括依次连接的球体9031、连接杆9032和销轴法兰结构9033，所述球体9031铰接在球铰座901和环形球铰盖板902相配合所形成的空间内，所述连接杆9032穿过环形球铰盖板902的中心孔，且其与球体9031在连接处相切，以保证球体9031的活动自由度以及承载强度，所述销轴法兰结构9033通过螺栓与载荷传递机构8的轴承座801相连接，保证加载球铰结构的抗拔强度，所述销轴法兰结构的中心处形成有销轴，所述轴承座801上相应的位置形成有销孔，通过销轴与销孔相配合提高加载球铰结构的抗剪能力。

本实施例中球铰连杆903与轴承座801中轴线距离r＝3.6米，单个轴向液压缸907能产生的推拉力Fa＝3000kN，单个竖直液压缸906能产生的推压力为Fr＝1400kN。采用本实施例的加载试验系统对风机进行测试时，将两个轴向液压缸907同时同方向推拉，所产生的最大轴向力Fx可达3000*2＝6000kN，满足风机轴向力载荷测试要求。将一个轴向液压缸907产生推力，另一个轴向液压缸907产生拉力，所产生的最大扭转力矩Mz可达3000*3.6*2＝21600kNm，满足风机扭转力矩测试要求。将两个竖直液压缸906同时推拉所产生的最大径向力Fz可达1400*2＝2800kN，满足风机竖直径向力载荷测试要求。同时由于被测风机3和原动风机2采用的是相同风机，因此原动风机2产生的转矩Mz能够满足被测风机3转矩测试要求。

假设一侧轴向液压缸907推拉力为Fa1，竖直液压缸906推拉力为Fr1，另一侧轴向液压缸907推拉力为Fa2，竖直液压缸906推拉力为Fr2，原动风机2功率为P，转速为n，载荷传递机构8和加载装置9的总重为G，以轴承802中心为原点坐标，根据几何关系和受力分析，可得以下静力平衡公式：

被测风机3所受轴向力Fx＝Fa1+Fa2；

被测风机3所受扭转力矩Mz＝Fa1*r-Fa2*r；

被测风机3所受竖直径向力Fz＝Fr1+Fr2+G；

被测风机3所受转矩载荷Mz＝9550*P/n；

根据上述公式，便可求解出被测风机3四自由度载荷各是多少。本实施例四自由度的载荷加载测试效果与六自由度的载荷加载测试效果基本相同，在结构和控制上更为简单，且极大地降低了成本。

以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种风力发电机加载试验系统，其特征在于：包括固定地轨、原动风机、被测风机、偏航承载底座、偏航转接法兰、鼓形齿联轴器、转接法兰、载荷传递机构、加载装置和固定桁架，所述固定地轨预埋在混凝土地基中，所述偏航承载底座有两个，对称装于固定地轨的左右两侧，所述原动风机和被测风机分别通过偏航转接法兰对称安装在两个偏航承载底座上，所述载荷传递机构设于原动风机和被测风机之间，其一端通过鼓形齿联轴器与原动风机连接，其另一端通过转接法兰与被测风机连接，通过变频器驱动原动风机反转进而向被测风机提供转矩Mx，所述加载装置有两个，对称设于载荷传递机构的前后两侧，用于向被测风机提供轴向力载荷Fx、竖直径向力载荷Fz和扭转力矩Mz，所述固定桁架有两个，对称设于固定地轨的前后两侧，并分别与对应侧的加载装置和被测风机下方的偏航承载底座连接，通过固定桁架使载荷在被测风机、载荷传递机构和加载装置之间进行传递。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机加载试验系统，其特征在于：所述载荷传递机构包括轴承座、轴承和轴，所述轴承有两个，分别用于承受径向载荷和轴向载荷，该两个轴承设于轴承座的左右两侧，分别通过各自的外圈与轴承座固定连接，且该两个轴承的内圈分别与鼓形齿联轴器和转接法兰连接，所述轴设于两个轴承之间，其左右两端分别连接在两个轴承的内圈上。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机加载试验系统，其特征在于：所述加载装置包括加载球铰结构、轴套、铰接吊环头、竖直液压缸和轴向液压缸，所述加载球铰结构的球铰连杆固定于载荷传递机构的轴承座的一端上，其球铰座的外周面上通过轴套铰接有两个铰接吊环头，通过轴套将两个铰接吊环头的轴向固定，以防止两者相互接触，所述竖直液压缸和轴向液压缸分别固定在固定桁架上，并分别与两个铰接吊环头连接，所述竖直液压缸用于提供竖直径向力Fz，所述轴向液压缸用于提供轴向推拉力Fx和扭转力矩Mz，通过加载球铰结构能够将竖直液压缸和轴向液压缸提供的多个方向的载荷通过载荷传递机构传递到被测风机上，且两个铰接吊环头的吊环中心点与球铰连杆的球心重合，从而保证竖直液压缸和轴向液压缸提供的多个方向的载荷均经过球铰连杆的球心进而传递到被测风机上。

4.根据权利要求3所述的一种风力发电机加载试验系统，其特征在于：所述加载球铰结构包括球铰座、环形球铰盖板和球铰连杆，所述球铰座的外周面为销轴结构，且销轴结构的一端设有轴肩，其另一端加工有挡圈槽，用于安装挡圈，通过轴肩和挡圈对铰接在球铰座外周面上的两个铰接吊环头起到轴向限位作用，所述环形球铰盖板固定在球铰座上，并与球铰座相配合形成用于容纳球铰连杆的球体的空间，所述球铰连杆包括依次连接的球体、连接杆和销轴法兰结构，所述球体铰接在球铰座和环形球铰盖板相配合所形成的空间内，所述连接杆穿过环形球铰盖板的中心孔，且其与球体在连接处相切，以保证球体的活动自由度以及承载强度，所述销轴法兰结构通过螺栓与载荷传递机构的轴承座相连接，保证加载球铰结构的抗拔强度。

5.根据权利要求4所述的一种风力发电机加载试验系统，其特征在于：所述销轴法兰结构的中心处形成有销轴，所述轴承座上相应的位置形成有销孔，通过销轴与销孔相配合提高加载球铰结构的抗剪能力。

6.根据权利要求4所述的一种风力发电机加载试验系统，其特征在于：所述环形球铰盖板由两个半月牙形盖板对接组成。

7.根据权利要求4所述的一种风力发电机加载试验系统，其特征在于：所述球铰座的内侧下部形成有用于与球铰连杆的球体相配合的半圆球空间，且内侧上部形成有用于安装环形球铰盖板的圆柱形空间，其底部加工有润滑油脂注入孔。

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