一种风载发电机组传动链力学特性模拟系统及其模拟方法
【专利摘要】本发明公开了一种风载发电机组传动链力学特性模拟系统及其模拟方法，风载发电机组传动链力学特性模拟系统包括风动力模拟单元、主轴、模拟叶片、多自由度风载模拟单元及发电机阻力模拟单元；所述的风动力模拟单元与主轴的一端连接，主轴的另一端与发电机阻力单元连接；所述的模拟叶片固定安装在主轴上；所述的多自由度风载模拟单元用于将轴向和/或径向载荷加载在主轴上。本发明结构简单，安装和维护方便，成本低；本发明能模拟不同风载下的风电机组传动链所受的各种径向力、轴向力和扭矩；而且能模拟整个风电机组传动链在各种工作状况下的动力学特性，能够对风电机组进行实验研究，为风电机组的设计提供有力的技术支持。
【专利说明】
一种风载发电机组传动链力学特性模拟系统及其模拟方法
技术领域
[0001]本发明属于风电技术领域，特别是涉及一种风载发电机组传动链力学特性模拟系统及其模拟方法。【背景技术】
[0002]风力发电概念已深入人心，风力发电在所有用电中的比例也日益增加，在风力发电机组所有故障中，传动链的故障占主导地位，其维修成本也异常高，主要包括发电机组增速齿轮箱故障，其中故障停机源于高速级输出轴两端轴承(简称高速轴承)的过早失效。高速轴承居高不下的故障率表明实际运行中高速轴承真实动载远高于设计值，现场振动测试与故障分析表明齿轮箱高速轴与发电机主轴之间的变载作用力是造成高速轴承动载增大的主要原因。根据传动链结构特点，发电机组叶片由风能传过来的轴向和径向载荷以及转矩是研究发电机组传动链动力学特性的主要关注对象。也是造成轴系动态不平衡的本质原因。同时，柔性联轴器将产生较大变形与载荷来补偿轴系不对中，这也将激励起风电机组的各种动力学特性的变化。因此，模拟风电机组传动链独特的结构特点和复杂的外载特性，开展实验研究风载、主轴、联接和增速齿轮等关键特征参数对传动链轴系动力学特性的影响， 这对于风电机组传动链轴系的研究和设计具有重要的意义。
[0003]公开号为CN104535353A的发明专利批露了一种倾斜安装角度可调的风电组动力学特性模拟实验装置，该装置采用驱动系统、模拟风轮系统、齿轮箱传动系统、发电机系统、 负载水栗、水平固定工作平台和倾斜角度可调工作平台等组成，能够对不同倾斜角度和机舱部分不同支撑刚度下风电机组的运行状态和动力学特性进行模拟，但该专利不能模拟实际风场对发电机组的不同轴向力以及其作用方向的影响，也不能模拟实际风场对发电机组的不同径向力以及其作用方向的影响。公开号为CN105464908A的发明专利批露了风电机组齿轮箱弹性支撑结构及弹性体更换方法。该专利包括底板，横梁以及支撑立柱，机架、底板、 支撑立柱，活动板，螺栓等组成，实现了齿轮箱弹性支撑更换时不需要断开联轴器等功能， 该发明专利并未涉发电机组传动链在多自由度风载的影响下所做的模拟。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本发明是提供一种结构简单，成本低的风载发电机组传动链力学特性模拟系统及其模拟方法。
[0005]本发明采用的技术方案是:一种风载发电机组传动链力学特性模拟系统，包括风动力模拟单元、主轴、模拟叶片、多自由度风载模拟单元及发电机阻力模拟单元;所述的风动力模拟单元的输出端与主轴的一端连接，主轴的另一端与发电机阻力单元连接;所述的模拟叶片固定安装在主轴上;所述的多自由度风载模拟单元用于将轴向载荷和径向载荷加载在主轴上。
[0006]上述的风载发电机组传动链力学特性模拟系统中，所述的风动力模拟单元包括电机、电机安装座、行星减速机、行星减速机安装座；电机安装在电机安装座上，行星减速机安装在行星减速机安装座上，电机与行星减速机连接，行星减速机与主轴的一端连接。
[0007]上述的风载发电机组传动链力学特性模拟系统中，所述的多自由度风载模拟单元包括径向油缸固定圈、油缸作用环、圆锥滚子轴承、风载模拟片、轴向油缸固定圈、径向油缸及轴向油缸;所述的风载模拟片固定安装在主轴上，油缸作用环通过圆锥滚子轴承安装在风载模拟片上，所述的径向油缸固定圈(501)固定安装在地面上，与油缸作用环位于同一平面内；所述的径向油缸固定圈的内侧壁上设有燕尾槽，径向油缸的一端安装在燕尾槽内；另一端朝向油缸作用环;所述的轴向油缸固定圈固定安装在地面上，与油缸作用环平行，轴向油缸固定圈朝向油缸作用环的端面上设有环形燕尾槽，轴向油缸的一端安装在轴向油缸固定圈的燕尾槽内；另一端朝向油缸作用环。
[0008]上述的风载发电机组传动链力学特性模拟系统中，所述的风动力模拟单元通过万向联轴节与主轴的一端连接;主轴的另一端与行星增速机的输入轴连接;行星增速机的输出轴通过柔性联轴器与发电机阻力模拟单元连接。
[0009]上述的风载发电机组传动链力学特性模拟系统中，所述的主轴通过支撑轴承组件支撑;支撑轴承组件包括轴承、轴承座和轴承座固定架;所述的轴承安装在轴承座内，轴承座安装在轴承座固定架上。
[0010]上述的风载发电机组传动链力学特性模拟系统中，所述的发电机阻力模拟单元包括电磁力矩器和电磁力矩器架，电磁力矩器通过电磁力矩器架安装在地面上。
[0011]—种利用上述的风载发电机组传动链力学特性模拟系统的模拟方法，包括如下步骤:1)启动风动力模拟单元模拟实际野外风电机组承受的风速及驱动力，风动力模拟单元带动主轴旋转，主轴带动模拟叶片旋转，模拟实际风场作用于风机主轴的旋转力矩；同时， 主轴带动发电机阻力模拟单元开始工作，模拟实际发电机发电所受的阻力矩；2)控制多自由度风载模拟单元给主轴施加轴向载荷，调节多自由度风载模拟单元给主轴施加的轴向载荷的大小，模拟不同风速下风电机组主轴所承受的不同轴向力，然后撤掉给主轴施加的轴向载荷；3)控制多自由度风载模拟单元给主轴施加径向载荷，调节多自由度风载模拟单元给主轴施加的径向载荷的大小，模拟不同风速下风电机组主轴所承受的不同径向力，然后撤掉给主轴施加的径向载荷；4)调节风动力模拟单元的转速，模拟不同风速下风电机组所达到的转速和所承受的转矩；5)调节发电机阻力模拟单元的阻力矩，模拟不同功率发电机组在发电情况下主轴所受的阻力矩。
[0012]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明采用风动力模拟单元、万向联轴器、模拟叶片、主轴、多自由度风载模拟单元、支撑轴承组件、行星增速机、柔性联轴器、发电机阻力模拟单元联合控制，来模拟不同风载作用下发电机组传动链动力学特性及其运行状况，为研究和设计风电机组传动链提供科学试验，也能为教学提供试验平台。本发明具有如下有益效果:1)本发明结构简单，安装和维护方便，成本低。
[0013]2)本发明能模拟不同风载下的风电机组传动链所受的各种径向力、轴向力和扭矩;能模拟不同发电机在运行状态下对传动链系反作用的影响；而且能模拟整个风电机组传动链在各种工作状况下的动力学特性，能够对风电机组进行实验研究，为风电机组的设计提供有力的技术支持。【附图说明】
[0014]图1为本发明的风载发电机组传动链力学特性模拟系统的结构示意图。
[0015]图2为本发明的风载发电机组传动链力学特性模拟系统的多自由度风载模拟单元结构示意图。
[0016]图中所示标记如下:1 一风动力模拟单元、2—万向联轴器、3—模拟叶片、4一主轴、 5—多自由度风载模拟单元、6—支撑轴承组件、7—行星增速机组件、8—柔性联轴器、9一发电机阻力模拟单兀、101—电机、102—电机安装座、103—行星减速机、104—行星减速机安装座、501—径向油缸固定圈、502—油缸作用环、503—圆锥滚子轴承、504—风载模拟片、 505—轴向油缸固定圈、506—油路块、507—回油过滤器I1、508—油栗I1、509—吸油过滤器 n、510—回油过滤器1、511—油栗1、512—吸油过滤器1、513—油箱、514—电磁换向阀1、 515—压力调节阀1、516—电磁换向阀I1、517—压力调节阀I1、518—轴向油缸、519—径向油缸、601—轴承座、602—轴承、603—轴承座固定架、701—行星增速机架、702—行星增速机、901—电磁力矩器、902—电磁力矩器架。【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0018]本发明的核心是提供风电机组传动链轴系在多自由度风载下的动力学模拟系统， 通过对风电机组传动链加载不同的扭矩、轴向力、径向力分析传动链轴系的动力学特性。该系统可以用来作科学试验用，也可以作教学试验使用。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图1、附图2及具体实施方法对本发明作进一步的详细说明。
[0019]如图1所示，本发明的风载发电机组传动链力学特性模拟系统包括风动力模拟单元1、万向联轴节2、模拟叶片3、主轴4、多自由度风载模拟单元5、支撑轴承组件6、行星增速机组件7、柔性联轴器8及发电机阻力模拟单元9;所述的风动力模拟单元1包括电机101、电机安装座102、行星减速机103、行星减速机安装座104,电机101安装在电机安装座102上，行星减速机103安装在行星减速机安装座104上，电机101与行星减速机103连接，行星减速机 103通过万向联轴节2与主轴4的一端连接。支撑轴承组件6包括轴承602、轴承座601和轴承座固定架603;所述的轴承602安装在轴承座601内，轴承座601安装在轴承座固定架603上。 支撑轴承组件6用于支撑主轴4。
[0020] 行星增速机组件7包括行星增速机702和行星增速机架701，行星增速机702安装在行星增速机架701上。所述的发电机阻力模拟单元9包括电磁力矩器901和电磁力矩器架 902,电磁力矩器901通过电磁力矩器架902安装在地面上。主轴4的另一端与行星增速机702 的输入轴连接;行星增速机702的输出轴通过柔性联轴器8与发电机阻力模拟单元9的电磁力矩器901连接。[0021 ]如图1、2所示，所述的多自由度风载模拟单元5包括径向油缸固定圈501、油缸作用环502、圆锥滚子轴承503、风载模拟片504、轴向油缸固定圈505、径向油缸519及轴向油缸 518。所述的风载模拟片504固定安装在主轴4上，油缸作用环502通过圆锥滚子轴承503安装在风载模拟片504上，所述的径向油缸固定圈501固定安装在地面上，与油缸作用环502位于同一平面内；所述的径向油缸固定圈501内侧壁上设有燕尾槽，径向油缸519的一端安装在燕尾槽内，另一端朝向油缸作用环502。所述的轴向油缸固定圈505固定安装在地面上， 与油缸作用环502平行，轴向油缸固定圈505朝向油缸作用环502的端面上设有环形燕尾槽， 轴向油缸518的一端安装在轴向油缸固定圈505的燕尾槽内；另一端朝向油缸作用环502。 [0022 ]如图2所示，所述的径向油缸519和轴向油缸518分别设有独立的控制油路。径向油缸519的控制油路包括回油过滤器1510、油栗1511、吸油过滤器1512、电磁换向阀1514及压力调节阀1515;所述的油栗1511的入口端通过管道与油箱13连通，该管道上设有吸油过滤器1512,所述的油栗1511的出口端通过进油管与电磁换向阀1514的进油孔连接，电磁换向阀1514的第一出油孔通过管道与径向油缸519的无杆腔连接;径向油缸519的有杆腔通过管道与电磁换向阀1514的第二出油孔连接;所述的电磁换向阀1514的回油孔通过回油管与油箱513连接;回油管与进油管之间设有压力调节阀1515;回油管上设有回油过滤器1510。 [〇〇23] 轴向油缸518的控制油路包括回油过滤器11507、油栗11508、吸油过滤器11509、电磁换向阀n 516及压力调节阀n 517;所述的油栗n 507的入口端通过管道与油箱13连通，该管道上设有吸油过滤器n 508,所述的油栗n 507的出口端通过进油管与电磁换向阀n 516 的进油孔连接，电磁换向阀n 514的第一出油孔通过管道与轴向油缸518的有杆腔连接;轴向油缸518的无杆腔通过管道与电磁换向阀n 516的第二出油孔连接;所述的电磁换向阀n 516的回油孔通过回油管与油箱513连接；回油管与进油管之间设有压力调节阀n 517;回油管上设有回油过滤器11507。
[0024]本发明的风载发电机组传动链力学特性模拟方法，包括如下步骤:1)启动风动力模拟单元1的电机101，经行星减速机103将转速降低，模拟实际野外风电机组承受的风速及驱动力，主轴4经万向联轴节2,在行星减速机103的驱动下旋转，带动模拟叶片3旋转，模拟实际风场作用于风机主轴的旋转力矩。主轴4另侧过支撑轴承组件6带动行星增速机702工作，在柔性联轴器8的作用下，电磁力矩器901开始工作，模拟实际发电机发电所受的阻力矩。
[0025]2)开启油栗n 508、压力调节阀n 517电磁铁DT6、电磁换向阀n 516电磁铁DT3，液压压力油由油箱513经吸油过滤器11509、油栗11508、油路块506、压力调节阀11517、电磁换向阀II 516到达轴向油缸518,输出力作用于油缸作用环502,给主轴4加载轴向载荷。调节压力调节阀II 517的压力，可改变轴向油缸518的输出力，从而改变主轴4承受的轴向力，模拟不同风速下风电机组主轴所承受的不同轴向力。然后开启油栗11508、压力调节阀II 517电磁铁DT6、电磁换向阀II 516电磁铁DT4,液压压力油进入轴向油缸518另一侧，撤掉主轴4承受轴向载荷。[〇〇26]3)开启油栗1511、压力调节阀1515的电磁铁DT5、电磁换向阀1514的电磁铁DT1，液压压力油由油箱513经吸油过滤器1512、油栗1511、油路块506、压力调节阀1515、电磁换向阀1514到达径向油缸519,径向油缸519输出力作用于油缸作用环502,给主轴4加载径向载荷。调节压力调节阀1515的压力，可改变径向油缸519的输出力，从而改变主轴4承受的径向力，以模拟不同风速下风电机组主轴所承受的不同径向力。然后开启油栗1511、压力调节阀1515电磁铁DT5、电磁换向阀1514电磁铁DT2,液压压力油进入径向油缸519另一侧，撤掉主轴4承受径向载荷。
[0027]4)调节风动力模拟单元1的电机101的转速，模拟不同风速下风电机组所达到的转速和所承受的转矩。[〇〇28]5)调节电磁力矩器901的阻力矩，模拟不同功率发电机组在发电情况下主轴所受的阻力矩。
【主权项】
1.一种风载发电机组传动链力学特性模拟系统，包括风动力模拟单元(1)、模拟叶片 (3)、主轴(4)、多自由度风载模拟单元(5)、发电机阻力模拟单元(9);其特征在于:风动力模 拟单元(1)的输出端与主轴(4)的一端相连，主轴(4)的另一端与发电机阻力模拟单元(9)连 接;所述的模拟叶片(3)固定安装在主轴(4)上;所述的多自由度风载模拟单元(5)用于将轴 向载荷和径向载荷加载在主轴(4)上。2.根据权利要求1所述的风载发电机组传动链力学特性模拟系统，其特征在于:所述的 风动力模拟单元(1)包括电机(101)、电机安装座(102)、行星减速机(103)、行星减速机安装 座(104)，电机(101)安装在电机安装座(102)上，行星减速机(103)安装在行星减速机安装 座(104)上，电机(101)与行星减速机(103)连接，行星减速机(103)与主轴(4)的一端连接。3.根据权利要求1所述的风载发电机组传动链力学特性模拟系统，其特征在于:所述的 多自由度风载模拟单元(5)包括径向油缸固定圈(501)、油缸作用环(502)、圆锥滚子轴承 (503)、风载模拟片(504)、轴向油缸固定圈(505)、径向油缸(519)及轴向油缸(518);所述的 风载模拟片(504)固定安装在主轴(4)上，油缸作用环(502)通过圆锥滚子轴承(503)安装 在风载模拟片(504)上，所述的径向油缸固定圈(501)固定安装在地面上，与油缸作用环 (502)位于同一平面内；所述的径向油缸固定圈(501)的内侧壁上设有燕尾槽，径向油缸 (519)的一端安装在燕尾槽内，另一端朝向油缸作用环(502);所述的轴向油缸固定圈(505) 固定安装在地面上，与油缸作用环(502)平行，轴向油缸固定圈(505)朝向油缸作用环(502) 的端面上设有环形燕尾槽，轴向油缸(518)的一端安装在轴向油缸固定圈(505)的燕尾槽 内；另一端朝向油缸作用环(502)。4.根据权利要求1所述的风载发电机组传动链力学特性模拟系统，其特征在于:所述的 风动力模拟单元(1)通过万向联轴节(2)与主轴(4)的一端连接;主轴(4)的另一端与行星增 速机(702)的输入轴连接;行星增速机(702)的输出轴通过柔性联轴器(8)与发电机阻力模 拟单元(9)连接。5.根据权利要求1所述的风载发电机组传动链力学特性模拟系统，其特征在于:所述的 主轴(4)通过支撑轴承组件(6)支撑;支撑轴承组件(6)包括轴承(602)、轴承座(601)和轴承 座固定架(603);所述的轴承(602)安装在轴承座(601)内，轴承座(601)安装在轴承座固定 架(603)上。6.根据权利要求1所述的风载发电机组传动链力学特性模拟系统，其特征在于:所述的 发电机阻力模拟单元(9)包括电磁力矩器(901)和电磁力矩器架(902)，电磁力矩器(901)通 过电磁力矩器架(902)安装在地面上。7.—种利用权利要求1-6中任一权利要求所述的风载发电机组传动链力学特性模拟系 统的模拟方法，包括如下步骤:1)启动风动力模拟单元(1)模拟实际野外风电机组承受的风速及驱动力，带动主轴(4) 旋转，主轴(4)带动模拟叶片(3)旋转，模拟实际风场作用于风机主轴的旋转力矩；同时，主 轴(4)带动发电机阻力模拟单元(9)开始工作，模拟实际发电机发电所受的阻力矩；2)控制多自由度风载模拟单元(5)给主轴(4)施加轴向载荷，调节多自由度风载模拟单 元(5)给主轴(4)施加的轴向载荷的大小，模拟不同风速下风电机组主轴所承受的不同轴向 力，然后撤掉给主轴(4)施加的轴向载荷；3)控制多自由度风载模拟单元(5)给主轴(4)施加径向载荷，调节多自由度风载模拟单元(5)给主轴(4)施加的径向载荷的大小，模拟不同风速下风电机组主轴所承受的不同径向 力，然后撤掉给主轴(4)施加的径向载荷；4)调节风动力模拟单元(1)的转速，模拟不同风速下风电机组所达到的转速和所承受 的转矩；5)调节发电机阻力模拟单元(9)的阻力矩，模拟不同功率发电机组在发电情况下主轴 所受的阻力矩。
【文档编号】G01M13/02GK106017920SQ201610470415
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】沈意平, 王送来, 韩清凯, 李学军, 宾光富, 郭帅平
【申请人】湖南科技大学