风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法

风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法
【专利摘要】本发明提供了一种风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法，风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统包括风动力模拟单元、主轴、增速齿轮轴向加载单元、增速齿轮等效质量盘、磁铁环、增速齿轮径向加载单元及发电机阻力模拟单元；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模拟单元连接；增速齿轮等效质量盘固定安装在主轴上，增速齿轮等效质量盘上安装有磁铁环；增速齿轮轴向加载单元能对磁铁环施加轴向力；增速齿轮径向加载单元能对磁铁环施加径向力。本发明结构简单，安装和维护方便，成本低；本发明还能够对风场、轴向力和径向力、支撑刚度和阻尼及发电机在运行状态对风电机组传动链的影响进行模拟。
【专利说明】
风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法
技术领域
[0001]本发明属于风电技术领域，具体是涉及一种风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法。
【背景技术】
[0002]风力发电已成为人们日常生活用电的重要组成部分，而发电机组增速齿轮箱是风电机组故障率最高的部件之一，高达50%的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轴间的动态不对中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，齿轮箱和发电机质量不同且分别安装在不同刚度的弹性支承上，两者固有频率必然不同，这是造成轴系动态不对中的本质原因。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复杂的倍频、高频振动，振动又会影响两轴间的不对中，这种动态耦合过程使得轴承动载变化异常复杂。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，开展实验研究弹性支承、联接和增速齿轮等关键特征参数对传动链轴系动态不对中、振动和载荷传递的影响，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，该装置采用驱动熊、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，但该专利不能模拟不同齿轮箱传动系统对风电系统的影响，也不能模拟传动链的不对中对整个发电机组的影响。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，该发明专利并未涉及齿轮箱对发电机组整个传动链的不对中的影响。

【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，成本低的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统及模拟方法。
[0005]本发明采用的技术方案是:一种风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，包括风动力模拟单元、主轴、增速齿轮轴向加载单元、增速齿轮等效质量盘、磁铁环、增速齿轮径向加载单元及发电机阻力模拟单元;其特征在于:所述的风动力模拟单元的输出端与主轴的一端连接，主轴通过轴承座支撑，主轴的另一端与发电机阻力模拟单元连接;所述的增速齿轮等效质量盘固定安装在主轴上，增速齿轮等效质量盘上安装有磁铁环;所述的增速齿轮轴向加载单元能对磁铁环施加轴向力;所述的增速齿轮径向加载单元能对磁铁环施加径向力。
[0006]上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的主轴包括主轴I和主轴Π，主轴I支撑在轴承座I上，主轴Π支撑在轴承座Π上；主轴I和主轴Π之间通过柔性联轴器连接，主轴I和主轴Π同轴;主轴I与风动力模拟单元连接，主轴Π与发电机阻力模拟单元连接。
[0007]上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的风动力模拟单元包括电机、板簧、阻尼消能垫1、行星减速机、弹簧I及阻尼消能垫Π;所述的电机安装在板簧上，板簧安装在阻尼消能垫I上;所述的电机输出轴与行星减速机输入端连接，行星减速机的输出端与主轴I连接，行星减速机通过弹簧I安装在阻尼消能垫Π上。
[0008]上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的增速齿轮轴向加载单元包括电磁加载器I和安装座;电磁加载器I安装在安装座上。
[0009]上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的增速齿轮径向加载单元包括电磁加载器Π和电磁加载器安装座；电磁加载器Π安装在电磁加载器安装座上。
[0010]上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的轴承座I包括轴承1、支承、弹簧π、阻尼消能垫m、支承安装架;轴承I的外圈固定于支承内，支承通过弹簧π固定于阻尼消能垫m上，所述的阻尼消能垫m固定于支承安装架上，支承安装架固定于地基上。
[0011 ]上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的轴承座π包括轴承π、轴承支承、弹簧m、阻尼消能垫IV、轴承支承安装架;所述的轴承π的外圈固定于轴承支承内，轴承支承通过弹簧m固定于阻尼消能垫IV上，阻尼消能垫IV固定于轴承支承安装架上，所述的轴承支承安装架固定于地基上。
[0012]上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的发电机阻力模拟单元包括电磁力矩器、电磁力矩器安装架、弹簧IV、阻尼消能垫IV;电磁力矩器固定于电磁力矩器安装架上，电磁力矩器安装架通过弹簧IV固定于阻尼消能垫IV上，阻尼消能垫IV固定于地基上。
[0013]上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统中，所述的板簧上设有两螺纹孔和两U型孔;所述的板簧能沿U型孔在阻尼消能垫I上移动。
[0014]—种利用上述的风电机组传动链轴系动态不对中振动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，主轴在启动风动力模拟单元的带动下旋转，主轴带动发电机阻力模拟单元工作；
2)更换不同质量的增速齿轮等效质量盘，模拟不同风机的风电机组增速机的整机齿轮质量;改变增速齿轮轴向加载单元和增速齿轮径向加载单元对磁铁环施加的轴向力和径向力的大小，模拟不同的轴向力和径向力作用对风电机组传动链轴系的动态不对中影响。
[0015]3)改变支撑主轴的轴承座的刚度和阻尼，模拟不同风电机组旋转支撑座在动态不对中情况下的振动情况；
4)改变发电机阻力模拟单元的阻力，模拟不同风电机组发电机在发电情况下对风电机组传动链轴系的作用情况。
[0016]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、主轴1、增速齿轮轴向加载单元、增速齿轮等效质量盘、磁铁环、增速齿轮径向加载单元、轴承座1、柔性联轴器、主轴Π、轴承座Π、发电机阻力模拟单元等联合控制来模拟风电机组传动链轴系动态不对中振动状况，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。本发明相比现有技术具有如下有益效果:
1)本发明结构简单，安装和维护方便，成本低；
2)本发明能够模拟不同风场下的风电机组传动链不对中振动状况、不同的轴向力和径向力的对传动链系的影响、不同支撑刚度和阻尼对不对中振动的影响、不同发电机在运行状态对传动链系反作用的影响及风电机组传动链的刚柔结构在不对中运行中的振动状况。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统的结构示意图。
[0018]图2为本发明的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统的风动力模拟单元结构示意图。
[0019]图3为本发明的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统的风动力模拟单元中的板簧的俯视图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0021 ]如图1-3所示，本发明的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，包括风动力模拟单元1、主轴、增速齿轮轴向加载单元3、增速齿轮等效质量盘4、磁铁环5、增速齿轮径向加载单元6及发电机阻力模拟单元11。所述的风动力模拟单元I包括电机101、板簧104、阻尼消能垫1105、行星减速机106、弹簧I 107及阻尼消能垫Π 108;如图3所示，板簧104上设有两个螺纹孔104-2和两个U型孔104-1，板簧104通过两个螺栓102安装在阻尼消能垫1105上;所述的电机1I通过螺钉103安装在板簧104上，板簧104安装在所述的电机101输出轴与行星减速机106输入端连接，行星减速机106的输出端与主轴连接，行星减速机106通过弹簧1107安装在阻尼消能垫Π 108上，阻尼消能垫Π 108上安装在行星减速机安装座109上。
[0022]所述的主轴包括主轴12和主轴Π 9，主轴12支撑在轴承座17上，主轴Π 9支撑在轴承座Π 10上;所述的轴承座17包括轴承1701、支承702、弹簧Π 703、阻尼消能垫ΙΠ704、支承安装架705;轴承1701的外圈固定于支承702内，支承702通过弹簧Π 703固定于阻尼消能垫ΙΠ704上，所述的阻尼消能垫ΙΠ704固定于支承安装架705上，支承安装架705固定于地基上。所述的轴承座Π10包括轴承Π1001、轴承支承1002、弹簧ΙΠ1003、阻尼消能垫IV1004、轴承支承安装架1005;所述的轴承Π 1001的外圈固定于轴承支承1002内，轴承支承1002通过弹簧m 1003固定于阻尼消能垫IV1004上，阻尼消能垫IV 1004固定于轴承支承安装架1005上，所述的轴承支承安装架1005固定于地基上。
[0023]主轴12和主轴Π9之间通过柔性联轴器8连接，主轴12和主轴Π 9同轴；主轴12与风动力模拟单元I的行星减速机106的输出端连接，主轴Π 9与发电机阻力模拟单元11的电磁力矩器1101连接。电磁力矩器1101固定于电磁力矩器安装架1102上，电磁力矩器安装架1102通过弹簧IVl 103固定于阻尼消能垫IVl 104上，阻尼消能垫IVl 104固定于地基上。
[0024]所述的增速齿轮等效质量盘4固定安装在主轴12上，增速齿轮等效质量盘4上安装有磁铁环5;所述的增速齿轮轴向加载单元3包括电磁加载器1301和安装座302;电磁加载器1301安装在安装座302上，安装座302安装在地基上，电磁加载器1301靠近磁铁环5的端面设置。所述的增速齿轮径向加载单元6包括电磁加载器Π 601和电磁加载器安装座602;电磁加载器Π 601安装在电磁加载器安装座602上，电磁加载器安装座602安装在地基上，电磁加载器Π 601位于磁铁环5的下方。
[0025]本发明的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟方法，包括如下步骤:
I)启动风动力模拟单元I的电机101，经行星减速机106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12在行星减速机106的驱动和轴承座17支撑下旋转，带动柔性联轴器8—起工作，主轴Π 9在柔性联轴器8的驱动下和轴承座Π 10的支撑下旋转，带动发电机阻力模拟单元11的电磁力矩器1101工作。
[0026]2)改变电机101的转速，模拟不同风场对风电机组传动链轴系的影响。
[0027]3)更换增速齿轮等效质量盘4，模拟不同风电机组增速机的整机齿轮质量，改变电磁加载器1301和电磁加载器Π 601的磁力大小，模拟增速机齿轮的轴向和径向作用力对风电机组传动链轴系的动态不对中影响。
[0028]4)改变弹簧Π 703的弹簧刚度和阻尼消能垫ΙΠ704阻尼模拟不同风电机组增速机在动态不对中情况下的振动情况。
[0029]5)改变弹簧ΙΠ1003的弹簧刚度和阻尼消能垫IV1004的阻尼模拟不同风电机组旋转支撑座在动态不对中情况下的振动情况。
[0030]6)改变电磁力矩器1101的阻力模拟不同风电机组发电机在发电情况下对风电机组传动链轴系的作用情况。
【主权项】
1.一种风电机组传动链轴系动态不对中振动1?拟系统，包括风动力1?拟单兀(I)、主轴、增速齿轮轴向加载单元(3)、增速齿轮等效质量盘(4)、磁铁环(5)、增速齿轮径向加载单元(6)及发电机阻力模拟单元(11);其特征在于:所述的风动力模拟单元(I)的输出端与主轴的一端连接，主轴通过轴承座支撑，主轴的另一端与发电机阻力模拟单元(11)连接;所述的增速齿轮等效质量盘(4)固定安装在主轴上，增速齿轮等效质量盘(4)上安装有磁铁环(5);所述的增速齿轮轴向加载单元(3)能对磁铁环(5)施加轴向力;所述的增速齿轮径向加载单元(6)能对磁铁环(5)施加径向力。2.根据权利要求1所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征是:所述的主轴包括主轴1(2)和主轴Π (9)，主轴1(2)支撑在轴承座1(7)上，主轴Π (9)支撑在轴承座Π (10)上；主轴I (2)和主轴Π (9)之间通过柔性联轴器(8)连接，主轴I (2)和主轴Π(9)同轴；主轴1(2)与风动力模拟单元(I)连接，主轴Π (9)与发电机阻力模拟单元(11)连接。3.根据权利要求1所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于:所述的风动力模拟单元(I)包括电机(101)、板簧(104)、阻尼消能垫1(105)、行星减速机(106)、弹簧I (107)及阻尼消能垫Π (108);所述的电机(101)安装在板簧(104)上，板簧(104)安装在阻尼消能垫1(105)上;所述的电机(101)输出轴与行星减速机(106)输入端连接，行星减速机(106)的输出端与主轴1(2)连接，行星减速机(106)通过弹簧I (107)安装在阻尼消能垫Π (108)上。4.根据权利要求1所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于:所述的增速齿轮轴向加载单元(3)包括电磁加载器1(301)和安装座(302)；电磁加载器I(301)安装在安装座(302)上。5.根据权利要求1所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于:所述的增速齿轮径向加载单元(6)包括电磁加载器Π (601)和电磁加载器安装座(602);电磁加载器Π (601)安装在电磁加载器安装座(602)上。6.根据权利要求2所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于:所述的轴承座1(7)包括轴承I(701)、支承(702)、弹簧Π (703)、阻尼消能垫ΙΠ(704)、支承安装架(705);轴承I (701)的外圈固定于支承(702)内，支承(702)通过弹簧Π (703)固定于阻尼消能垫ΙΠ(704)上，所述的阻尼消能垫ΙΠ(704)固定于支承安装架(705)上，支承安装架(705)固定于地基上。7.根据权利要求2所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于:所述的轴承座Π (10)包括轴承Π (1001)、轴承支承(1002)、弹簧ΙΠ (1003)、阻尼消能垫IV(1004)、轴承支承安装架(1005);所述的轴承Π (1001)的外圈固定于轴承支承(1002)内，轴承支承(1002)通过弹簧m(1003)固定于阻尼消能垫IV(1004)上，阻尼消能垫IV (1004)固定于轴承支承安装架(1005)上，所述的轴承支承安装架(1005)固定于地基上。8.根据权利要求1所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于:所述的发电机阻力模拟单元(11)包括电磁力矩器(1101)、电磁力矩器安装架(1102)、弹簧IV(1103)、阻尼消能垫IV(1104);电磁力矩器(1101)固定于电磁力矩器安装架(1102)上，电磁力矩器安装架(1102)通过弹簧IV(1103)固定于阻尼消能垫IV(1104)上，阻尼消能垫IV(1104)固定于地基上。9.根据权利要求2所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统，其特征在于:所述的板簧(104)上设有两螺纹孔(104-2)和两U型孔(104-1);所述的板簧(104)能沿U型孔(104-1)在阻尼消能垫I (105)上移动。10.—种利用权利要求1-9中任一权利要求所述的风电机组传动链轴系动态不对中振动模拟系统的模拟方法，包括如下步骤: I)启动风动力模拟单元(I)模拟实际野外风电机组承受的风速及驱动力，主轴在启动风动力模拟单元(I)的带动下旋转，主轴带动发电机阻力模拟单元(11)工作； 2)更换不同质量的增速齿轮等效质量盘(4)，模拟不同风机的风电机组增速机的整机齿轮质量;改变增速齿轮轴向加载单元(3)和增速齿轮径向加载单元(6)对磁铁环(5)施加的轴向力和径向力的大小，模拟不同的轴向力和径向力作用对风电机组传动链轴系的动态不对中影响； 3)改变支撑主轴的轴承座的刚度和阻尼，模拟不同风电机组旋转支撑座在动态不对中情况下的振动情况； 4)改变发电机阻力模拟单元(11)的阻力，模拟不同风电机组发电机在发电情况下对风电机组传动链轴系的作用情况。
【文档编号】G01M7/02GK105954029SQ201610470355
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】沈意平, 王送来, 韩清凯, 朱广辉, 李学军, 王广斌
【申请人】湖南科技大学