CN216741838U - 模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组，该实验机组包括底部固定板、直流驱动电机、模拟发电机和联轴器；直流驱动电机固定于底部固定板上；模拟发电机包括发电机定子和发电机转子，发电机定子固定于底部固定板上，发电机转子上的转子轴伸出发电机定子两端之外，且转子轴上固定有轴承；轴承由轴承座支撑，轴承座固定于底部固定板上；直流驱动电机的输出轴通过联轴器连接转子轴的一端，转子轴的另一端与叶片质量不平衡调整机构连接。本实用新型能直观、方便的模拟不同程度的气隙动偏心故障、叶片质量不平衡故障以及轴承故障，还能模拟混合故障，从而为风力发电机传动链机械故障的分析、研究和预防提供基础。

Description

模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组

技术领域

本实用新型涉及发电技术领域，更具体的说，涉及一种模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组。

背景技术

风力发电机传动链按照传动顺序依次包括风力发电机扇叶、发电机轴承、发电机定转子等部分，其中各个部分都会发生相应的机械故障，如风力发电机的扇叶部分会发生叶片质量不平衡故障，轴承会发生轴承故障，发电机会发生气隙动偏心故障，因此，设计一款研究风力发电机传动链机械故障的动模实验机组，将对风力发电机机械故障研究具有推动作用。

风力发电机叶片质量不平衡是指风力发电机叶片质量不平均，导致扇叶在旋转过程中重心发生偏移的情况。实际情况中，由于叶片安装误差等因素的影响，使其改变了叶片翼型的气动性能，导致风轮空气动力学特性的改变，并且可能会导致风电机组叶片质量不平衡，引起风电机组的振动，增大相关部件的动载荷，从而加速风轮的疲劳，降低风电机组的可靠性，风电机组运行效率也会降低，缩短风电机组的寿命。

轴承故障按照轴承损伤部位来分，轴承故障可分为内圈故障、外圈故障、保持架故障以及滚动体故障。在风力发电机组的机械传动系统中，轴承是支撑风力发电机组正常运转的主要部件，轴承损伤严重，将直接导致风力传动系统失效。

发电机气隙动偏心是指转子中心与旋转中心不重合，导致定转子间径向气隙的最小位置会随着转子的旋转而发生变化的情况，例如转子表面圆度不齐、转子挠度翘曲等原因所引起的气隙偏心故障即属于这种情况。动偏心故障将会使发电机的轴承工作情况恶化，同时加剧定转子振动，造成定子铁芯变形、绕组磨损和绝缘破坏等危害。

现有关于风力发电机传动链机械故障的研究绝大多数都是分散的，并且现阶段对于机械故障的研究大多基于理论计算或计算机模拟仿真，没有一款能集发电机气隙动偏心、叶片质量不平衡、轴承故障这三种风力发电机传动链故障模拟于一身的动模实验机组。因此，设计一套能够模拟风力发电机传动链故障的动模实验机组对今后的风力发电机的机械故障研究大有裨益。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型为了克服已有技术之缺陷，提供了一种模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组，其具体技术方案如下：

一种模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组，包括底部固定板、直流驱动电机、模拟发电机和联轴器；底部固定板通过地脚螺栓固定于地面上，直流驱动电机通过驱动电机定位螺栓固定于底部固定板上；模拟发电机包括发电机定子和发电机转子，发电机定子通过发电机定子定位螺栓固定于底部固定板上，发电机转子上的转子轴伸出发电机定子两端之外，且转子轴上固定有轴承；轴承由轴承座支撑，轴承座固定于底部固定板上；直流驱动电机的输出轴通过联轴器连接转子轴的一端，转子轴的另一端与叶片质量不平衡调整机构连接；

叶片质量不平衡调整机构包括焊接在转子轴上的风扇法兰盘以及用来模拟风力发电机风扇的轮毂及扇叶，轮毂能够通过风扇法兰盘上的螺栓固定在转子轴上，扇叶分为质量平衡的正常扇叶组和质量不平衡的非正常扇叶组；

转子轴上固定的轴承包括偏心轴承组、正常轴承组以及一个故障轴承；偏心轴承组为数对动偏心不同的偏心轴承，正常轴承组为一对正常轴承，成对的偏心轴承以及成对的正常轴承均分设于发电机定子的两侧，且关于转子中心对称；轴承座包括轴承座上端盖、轴承座底座，轴承座上端盖通过轴承座端盖定位螺栓与轴承座底座的顶端固连，以将轴承配合于二者之间；轴承座底座的底端通过轴承座底座定位螺栓固定于底部固定板上；轴承座底座与底部固定板之间还设有垫片，垫片也通过轴承座底座定位螺栓固定于底部固定板上。

本实用新型的主要设计目的是为了模拟风力发电机传动链中的机械故障，其能直观、方便的模拟不同程度的气隙动偏心故障、叶片质量不平衡故障以及轴承故障，还能模拟混合故障，从而为风力发电机传动链机械故障的分析、研究和预防提供基础。

优选的，质量不平衡的非正常扇叶组包括质量不平衡10％的扇叶组和质量不平衡20％的扇叶组。

优选的，偏心轴承组包括一对动偏心10％的偏心轴承和一对动偏心20％的偏心轴承。

优选的，故障轴承在制造时通过在其轴承内圈上刻缝来模拟轴承因为磨损而导致内圈或不平的情况。

优选的，发电机定子和轴承座先整体固定于一发电机固定板上，发电机固定板再通过发电机固定板定位螺栓固定于底部固定板上；发电机固定板相对于底部固定板其上平面的平整度精度更高。

优选的，直流驱动电机与底部固定板之间还设有驱动电机垫块，驱动电机垫块也通过驱动电机定位螺栓固定于底部固定板上。

优选的，两个相邻的轴承座之间的转子轴上环套有轴承限位环，轴承限位环通过轴承限位环拧紧螺栓固定于转子轴上，且轴承限位环远离发电机定子的一面与对应轴承座的侧面紧抵。

本实用新型还提供了一种利用上述实验机组进行机械故障模拟的方法，包括：

(1)气隙动偏心故障的模拟

将一对正常轴承对应的轴承座定义为轴承座A，将其中一对偏心轴对应的轴承座定义为轴承座B；先将直流驱动电机和模拟发电机安装好，模拟时，卸下两个轴承座A的轴承座端盖定位螺栓，取下对应的轴承座上端盖A；然后卸下两个轴承座B的轴承座底座定位螺栓，在轴承座B下方安装垫片，然后重新拧上这两个轴承座B的轴承座底座定位螺栓；卸下两个轴承座A的轴承座底座定位螺栓，拆除轴承座A下方的垫片，然后重新拧上这两个轴承座A的轴承座底座定位螺栓；最后装上对应的轴承座上端盖B，拧上轴承座端盖定位螺栓；

(2)叶片质量不平衡故障的模拟

将模拟发电机和直流驱动电机安装好后，将轴承座调整为默认正常轴承组情况下支撑，取出要进行安装的正常扇叶组或非正常扇叶组，通过风扇法兰盘上的螺栓将扇叶组对应安装的轮毂固定在转子轴上；

(3)轴承故障的模拟

将模拟发电机和直流驱动电机安装好后，将轴承座调节为使用正常轴承组中与故障轴承不相邻的正常轴承以及故障轴承支撑；

(4)混合故障的模拟

模拟混合故障时只需要将以上三种故障或这三种故障中的任意两两故障同步设置即可。

本实用新型方案可靠、易于实现，可对风力发电机传动链中不同程度的发电机气隙动偏心、叶片质量不平衡故障与轴承故障以及部分混合故障进行模拟，弥补当前空白，为发电机传动链机械故障的研究和实验分析提供可能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的三维结构示意图；

图2是动偏心调整结构示意图；

图3是轮毂和轮毂法兰盘配合示意图；

图4是轮毂法兰盘结构示意图

图5为正常轴承结构示意图；

图6为偏心轴承结构示意图；

图7为轴承限位环结构示意图；

图8为内圈故障轴承结构示意图；

图9为内外圈故障轴承结构示意图。

图10为轴承限位环和轴承座配合示意图；

图中：1-底部固定板，2-直流驱动电机，3-发电机定子，4-发电机转子， 5-转子轴，6-联轴器，7-风扇法兰盘，8-轮毂，9-扇叶，10-偏心轴承，11- 正常轴承，12-故障轴承，13-轴承座上端盖，14-轴承座底座，15-垫片，16- 发电机固定板，17-驱动电机垫块，18-轴承限位环，19-轴承限位环拧紧螺栓。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例：

如图1所示，本实用新型一种模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组，包括底部固定板1、直流驱动电机2、模拟发电机和联轴器6。

底部固定板1通过地脚螺栓固定于实验室地面上，直流驱动电机2通过驱动电机定位螺栓固定于底部固定板1上。

模拟发电机包括发电机定子3和发电机转子4，发电机定子3通过发电机定子定位螺栓固定于底部固定板1上，发电机转子4上的转子轴5伸出发电机定子3两端之外，且转子轴5上固定有轴承；轴承由轴承座支撑，轴承座固定于底部固定板1上；直流驱动电机2的输出轴通过联轴器6连接转子轴5 的一端，转子轴5的另一端与叶片质量不平衡调整机构连接。直流驱动电机2 带动模拟发电机上的发电机转子4旋转。

进一步的，为了确保发电机定子3和轴承座能够真正处于一个平面上并保持稳定，发电机定子3和轴承座可先整体固定于一发电机固定板16上，发电机固定板16再通过发电机固定板定位螺栓固定于底部固定板1上；而发电机固定板16是通过选择相应制作材料，使其相对于底部固定板1其上平面的平整度精度更高，以达到相应效果。

同时，为了使直流驱动电机2的输出轴与转子轴5的高度相适配，直流驱动电机2与底部固定板1之间还设有相应厚度的驱动电机垫块17，驱动电机垫块17也通过驱动电机定位螺栓固定于底部固定板1上。

如图1、3、4所示，叶片质量不平衡调整机构包括焊接在转子轴5上的风扇法兰盘7以及用来模拟风力发电机风扇的轮毂8及扇叶9，轮毂8能够通过风扇法兰盘7上的八个螺栓固定在转子轴5上，扇叶9分为质量平衡的正常扇叶组(扇叶一)和质量不平衡的非正常扇叶组。单个模拟其他故障时可以将叶片质量不平衡调整机构拆卸下来。

具体的，本实施例中，质量不平衡的非正常扇叶组包括质量不平衡10％的扇叶组(扇叶二)和质量不平衡20％的扇叶组(扇叶三)。也就是说，本实施例中，用来模拟叶片质量不平衡故障的扇叶9共设计有三组：扇叶一为正常扇叶即质量平衡，扇叶重心与扇叶中心重合；扇叶二和扇叶三分别设置质量不平衡10％和质量不平衡20％，模拟不同程度故障时可以更换。

每个扇叶组中均包括三个叶片，正常扇叶组中的三个叶片形状相同，材料相同；非正常扇叶组中的三个叶片形状相同，所用材料不同，其中两个叶片以及轮毂材料都为普通钢，第三个叶片材料为铝合金或玻璃钢，由于钢材比铝合金的密度大，铝合金的密度比玻璃钢的密度大，因此第三个叶片比前两个叶片都要轻，满足了叶片质量不平衡的条件。

如图1、2所示，转子轴5上固定的轴承包括偏心轴承组、正常轴承组以及一个故障轴承12；偏心轴承组为数对动偏心不同的偏心轴承10，正常轴承组为一对正常轴承11，成对的偏心轴承10(如图6所示，偏心轴承10内外圈间距不均匀)以及成对的正常轴承11(如图5所示，正常轴承11内外圈间距均匀)均分设于发电机定子3的两侧，且关于转子中心对称；轴承座包括轴承座上端盖13、轴承座底座14，轴承座上端盖13通过轴承座端盖定位螺栓与轴承座底座14的顶端固连，以将轴承配合于二者之间；轴承座底座14 的底端通过轴承座底座定位螺栓固定于底部固定板1上；轴承座底座14与底部固定板1之间还设有垫片15，垫片15也通过轴承座底座定位螺栓固定于底部固定板1上，可以通过拆装垫片15来改变轴承座的高度以更换所使用的轴承座。

其中，转子轴5上固定的偏心轴承组、正常轴承组以及对应的轴承座和轴承座底部的垫片15共同构成动偏心调整机构，本实施例中的偏心轴承组包括一对动偏心10％的偏心轴承和一对动偏心20％的偏心轴承。六个轴承座通过其定位螺栓固定在发电机固定板16或底部固定板1上，轴承座底部的垫片15 也通过相应定位螺栓固定在发电机固定板16或底部固定板1上，换用不同对轴承座支撑可换用不同的轴承支承转子。

具体的，由于偏心轴承10的特殊性，其跟随转子转动的内圈中心与旋转中心不重合，符合发电机气隙动偏心的定义，所以可以采取使用偏心轴承10 的方法来设置动偏心。动偏心程度可通过使用不同的偏心轴承10来设置，偏心轴承10的偏心率可通过最宽处减去最窄处再除以二来计算，考虑到发电机气隙的大小，采用偏心轴承10设置动偏心10％和20％。考虑到更换轴承的不便以及对轴承的损害，特采取将三对轴承同时安装在转子轴5上的方法，设置不同动偏心程度的就使用不同偏心轴承10即可，更换轴承时依靠轴承座和垫片15的使用可做到。

转子轴5上固定的正常轴承组、故障轴承12以及对应的轴承座和轴承座底部的垫片15共同构成轴承故障调整机构。故障轴承12在制造时通过在其轴承内圈上刻缝来模拟轴承因为磨损而导致内圈或不平的情况。图8为内圈故障轴承内圈结构示意图，图9为内外圈故障轴承结构示意图。通过调整轴承座下的垫片15来换用不同的轴承，模拟轴承故障时分别用正常轴承11和故障轴承12来支撑转子轴5。

轴承故障调整机构通过配合使用动偏心调整机构中的轴承座，可少设置一个轴承在转子轴5上，减小机构体积。

为了进一步优化上述实施例的技术方案，如图1、2、7、10所示，两个相邻的轴承座之间的转子轴5上还环套有轴承限位环18，轴承限位环18通过轴承限位环拧紧螺栓19固定于转子轴5上，且轴承限位环18远离发电机定子3的一面与对应轴承座的侧面紧抵。本实用新型实施例中共有五个轴承限位环18，轴承限位环18在动偏心调整机构中起到给轴承座提供轴向定位的作用。

一种利用上述实验机组进行机械故障模拟的方法，包括：

(1)气隙动偏心故障的模拟

将一对正常轴承11对应的轴承座定义为轴承座A，将其中一对偏心轴对应的轴承座定义为轴承座B；先将直流驱动电机2和模拟发电机安装好，模拟时，卸下两个轴承座A的轴承座端盖定位螺栓，取下对应的轴承座上端盖A；然后卸下两个轴承座B的轴承座底座定位螺栓，在轴承座B下方安装垫片15，然后重新拧上这两个轴承座B的轴承座底座定位螺栓；卸下两个轴承座A的轴承座底座定位螺栓，拆除轴承座A下方的垫片15，然后重新拧上这两个轴承座A的轴承座底座定位螺栓；最后装上对应的轴承座上端盖B，拧上轴承座端盖定位螺栓。

(2)叶片质量不平衡故障的模拟

将直流驱动电机2和模拟发电机安装好后，将轴承座调整为默认正常轴承组情况下支撑，取出要进行安装的正常扇叶组或非正常扇叶组，通过风扇法兰盘7上的螺栓将扇叶组对应安装的轮毂8固定在转子轴5上；通过安装不同的风力发电机模拟叶片来模拟不同程度的叶片质量不平衡。

(3)轴承故障的模拟

将模拟发电机和直流驱动电机2安装好后，将轴承座调节为使用正常轴承组中与故障轴承12不相邻的正常轴承11以及故障轴承12支撑；通过这种轴承的左右不对称分布，可以通过利用动偏心调整机构的部分轴承来设置轴承故障，节省了机构的空间。

(4)混合故障的模拟

模拟混合故障时只需要将两两故障同步设置即可。如：轴承故障与叶片质量不平衡故障混合故障模拟。只需先通过轴承故障调整机构换上故障轴承 12支撑转子轴5，再将设计的质量不平衡扇叶安装在风扇法兰盘7上。通过故障轴承12与不同程度的质量不平衡扇叶即可模拟不同程度的轴承故障与叶片质量不平衡混合故障。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组，其特征在于，包括底部固定板、直流驱动电机、模拟发电机和联轴器；底部固定板通过地脚螺栓固定于地面上，直流驱动电机通过驱动电机定位螺栓固定于底部固定板上；模拟发电机包括发电机定子和发电机转子，发电机定子通过发电机定子定位螺栓固定于底部固定板上，发电机转子上的转子轴伸出发电机定子两端之外，且转子轴上固定有轴承；轴承由轴承座支撑，轴承座固定于底部固定板上；直流驱动电机的输出轴通过联轴器连接转子轴的一端，转子轴的另一端与叶片质量不平衡调整机构连接；

叶片质量不平衡调整机构包括焊接在转子轴上的风扇法兰盘以及用来模拟风力发电机风扇的轮毂及扇叶，轮毂能够通过风扇法兰盘上的螺栓固定在转子轴上，扇叶分为质量平衡的正常扇叶组和质量不平衡的非正常扇叶组；

转子轴上固定的轴承包括偏心轴承组、正常轴承组以及一个故障轴承；偏心轴承组为数对动偏心不同的偏心轴承，正常轴承组为一对正常轴承，成对的偏心轴承以及成对的正常轴承均分设于发电机定子的两侧，且关于转子中心对称；轴承座包括轴承座上端盖、轴承座底座，轴承座上端盖通过轴承座端盖定位螺栓与轴承座底座的顶端固连，以将轴承配合于二者之间；轴承座底座的底端通过轴承座底座定位螺栓固定于底部固定板上；轴承座底座与底部固定板之间还设有垫片，垫片也通过轴承座底座定位螺栓固定于底部固定板上。

2.根据权利要求1所述的模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组，其特征在于，质量不平衡的非正常扇叶组包括质量不平衡10％的扇叶组和质量不平衡20％的扇叶组。

3.根据权利要求1所述的模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组，其特征在于，偏心轴承组包括一对动偏心10％的偏心轴承和一对动偏心20％的偏心轴承。

4.根据权利要求1所述的模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组，其特征在于，故障轴承在制造时通过在其轴承内圈上刻缝来模拟轴承因为磨损而导致内圈或不平的情况。

5.根据权利要求1所述的模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组，其特征在于，发电机定子和轴承座先整体固定于一发电机固定板上，发电机固定板再通过发电机固定板定位螺栓固定于底部固定板上；发电机固定板相对于底部固定板其上平面的平整度精度更高。

6.根据权利要求1所述的模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组，其特征在于，直流驱动电机与底部固定板之间还设有驱动电机垫块，驱动电机垫块也通过驱动电机定位螺栓固定于底部固定板上。

7.根据权利要求1所述的模拟风力发电机轴系典型机械故障的实验机组，其特征在于，两个相邻的轴承座之间的转子轴上环套有轴承限位环，轴承限位环通过轴承限位环拧紧螺栓固定于转子轴上，且轴承限位环远离发电机定子的一面与对应轴承座的侧面紧抵。

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