一种风电机组新型传动链刚柔耦合建模系统及模拟方法与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风电机组新型传动链刚柔耦合建模系统及模拟方法。


背景技术：

2.随着双碳目标的提出，新能源装机容量也在不断地增加，而随着装机容量的增加机组的故障率也随之提高。在实际工作环境中，机组的运行环境一般都相对恶劣，机组的各个机械零部件长期承受不同载荷作用下会出现各种各样的损伤，因此有必要对风电机组进行可靠性设计，提高风电机组设计和制造质量，减少机组运行故障率。
3.大型风电机组在生产设计时期就应该分析计算其固有频率，确保风轮、塔筒、机械传动链等各个零部件的固有频率，以及避免固有频率与激励源频率相互之间太接近，产生共振现象。风电机组传动链的动态设计是可靠性设计至关重要的环节，利用精确可靠的动态设计评估方法对风力发电机组传动链动力学性能进行研究，可以及时甄别传动链的危险共振点，改进零部件设计的薄弱环节，为后期优化设计提供指导，进而避免机组在实际运行中出现共振事故，降低风电机组运行的故障率，减少运行维修成本。
4.现有的研究成果表明，风电机组传动链仿真模型由最初的纯扭转刚体简化模型发展到现在的多柔体、多自由度复杂模型。但大部分研究仍单一的注重传动链核心部件齿轮箱的振动特性，而忽略了齿轮箱与叶片和发电机的非线性耦合对传动链振动特性的影响。此外，大多研究未考虑轴承的非线性、齿轮啮合力等对传动链共振的影响。部分研究虽然建立了传动链多柔体六自由度仿真模型，但只分析了扭转方向的零部件能量分布图，而没有结合轴向、径向的零部件能量分布图分析传动链的振动特性。因此，其改进和创新势在必行。


技术实现要素：

5.针对上述情况，为克服现有技术之不足，本发明之目的就是提供一种风电机组新型传动链刚柔耦合建模系统及模拟方法，能够有效的研究风电机组传动链的振动特性，找出危险共振点，从而为风电制造单位提供技术支撑。
6.本发明解决的技术方案是：
7.一种风电机组新型传动链刚柔耦合建模系统，包括风电机组传动链刚柔耦合模型，其特征在于：所述风电机组传动链刚柔耦合模型包括风载支撑模块、风载传递模块、能量转化模块和支撑模块，所述风载支撑模块包括叶片、轮毂、主轴；风载传递模块包括齿轮箱箱体、行星架、内齿圈、行星轮、太阳轮、太阳轮轴、中间级大齿轮轴、中间级大齿轮、中间级小齿轮、中间级小齿轮轴、高级大齿轮、高速级小齿轮、高速级小齿轮轴、齿轮箱弹性支撑；能量转化模块包括制动盘，发电机的联轴器、发电机转子、发电机定子、发电机箱体、发电机箱体弹性支撑；支撑模块包括主机架、主轴承座、变桨轴承，其中风载支撑模块提供输入载荷，与风载传递模块相连接，风载传递模块再将载荷传递给能量转化模块产生输出载
荷，所有相互连接的模块则都安装在支撑模块上；利用三维建模软件建立风电机组传动链刚柔耦合模型，对建模好的传动链刚柔耦合模型进行时域频域分析，找到零部件固有频率与激振频率绘制其二维坎贝尔图，在图中判断零部件是否存在潜在的危险共振点。
8.基于上述系统的模拟方法为：在建立好的风电机组传动链刚柔耦合模型中，输入风载给风载支撑模块模拟实际风电机组承受的风力载荷，带动叶片旋转，叶片通过变桨轴承传递风能给轮毂，轮毂再传递给主轴，模拟实际风电场中作用于风电机组的旋转力矩，使风载传递到轮毂中心产生恒定的驱动力矩，根据不同风轮转速施加不同驱动力矩；同时，主轴带动风载传递模块，风载传递模块在能量转换模块中发电机转子上施加反馈力矩，在发动机转子施加负载转矩，根据不同的风速，功率，施加发电机转速和扭矩，模拟实际风电机组发电机发电时产生的阻力矩，具体模拟方法包括以下步骤：
9.s1.计算各部件的激励频率，激励频率主要由叶片、轴由于回转不平衡产生的转频激励以及齿轮的啮合刚度随时间变化引起的激励频率，因此考虑旋转频率和啮合频率引起的激励频率，进行激励频率求解，得到各部件的激励频率；
10.s2.在simpack仿真软件中对风电机组传动链刚柔耦合模型中施加驱动和负载，在叶片施加风动载荷，使主轴产生驱动力矩；发电机转子及其定子间施加转矩模拟实际工况，通过输入发电机特性曲线完成反馈载荷施加，其载荷计算如下式所示：
11.t
hub
＝＝t
genu12.式中：t
hub
为轮毂扭矩，t
gen
为发电机转矩，u为齿轮箱传动比；
13.将施加过后的载荷通过时间积分的方式求解动平衡，计算在切入、额定以及切除工况下的动平衡，在simpack中查看仿真处理结果，认为发电机转子速度波动在小数点后两位达到动平衡；
14.s3.固有频率的计算，传动链动平衡之后对传动链刚柔耦合模型进行模态分析，利用特征值方法在simpack软件中对模型进行仿真，得到各零部件固有频率：
[0015][0016]
式中：k为传动链系统整体的扭转刚度，i为传动链系统的转动惯量；
[0017]
计算之后的文件中包含固有频率、阻尼值以及各部件在不同阶频下的能量，得到数据后对数据进行筛选，得到不同工况下的固有频率，得到不同工况下的固有频率；
[0018]
绘制额定工况下每一阶频率下零部件的能连分布图，直观反映此频率下能量主要分布的零部件及占比，考虑能量比大于20％零部件进行后续分析；
[0019]
s4.结合能量分布图确定重要研究零部件，根据激励频率和固有频率绘制重要研究零部件的二维坎贝尔图，找出潜在共振点；潜在共振点出现在二维坎贝尔图中的折线交点，即某激励频率和固有频率值恰好重合，由于频率范围较宽，为进一步细化潜在共振点，将固有频率分为4个区间绘制二维坎贝尔图，4个固有频率区间分别为0～6hz、7～100hz、100～1000hz以及1000hz以上，结合模态分析和能量分布图确定潜在共振点；
[0020]
s5.潜在共振点可能出现假值，需要进行时域分析进一步验证，考虑风剪切和塔影效应，通过扭矩扫频扫过切入到切出整个区间，得到各部件的振动信号；将潜在共振点对应的振动部件的时域信号进行快速傅里叶变换转变为频域信号，得到振动加速度的频谱图，如果在激励频率处出现跳跃性的峰值，则判定该点为危险共振点，否则将其排除。
[0021]
本发明系统建立了更加完整的传动链刚柔耦合模型，考虑齿轮时变齿合刚度的影响，释放零部件的自由度，包括考虑风电机组所有传动系统，设置刚体柔性体以及设置了六个自由度，提高了仿真的精确性，更加全面真实的模拟风电机组的动态响应，能够在在风电机组设计阶段，使用该方法对风电机组传动链进行振动评估，有效降低机组故障率，减少维修成本。本发明方法提供了风电机组传动链全尺寸刚柔耦合建模及模拟实际风场中传动链各部件受到风载下振动特性，研究各部件是否会产生危险共振点。通过给风电机组叶片施加风载传递给主轴不同的扭矩及发电机产生反馈扭矩，分析整个传动链的动态响应，利用二维坎贝尔图，通过频率区间划分，更详细找出其容易产生共振的潜在危险点，通过时域分析验证其假点，确定最终的共振危险点。同时通过与实际风电场风电机组采集数据进行对比分析，验证了本发明方法的准确性，为科学实验研究及生产制造厂商的设计制造等提供了有力的技术支持，使用方便，效果好，有良好的社会和经济效益。
附图说明
[0022]
图1为本发明风电机组传动链刚柔耦合模型结构示意图。
[0023]
图2为本发明模拟方法的流程框式图。
[0024]
图3为本发明应用例发电机特性曲线图。
[0025]
图4为本发明应用例动平衡发电机波动状态图。
[0026]
图5为本发明应用例四个频率区间绘制的二维坎贝尔图。
[0027]
图6为本发明应用例主要零部件时域分析快速傅里叶变化图。
[0028]
图7为本发明应用例齿轮箱低速级径向振动信号频谱图。
[0029]
图8为本发明应用例齿轮箱中间级级径向振动信号频谱图。
[0030]
图9为齿轮箱高速级轴向振动信号频谱图。
[0031]
图10本发明应用例齿轮箱高速级径向振动信号频谱图。
[0032]
图11为本发明应用例发电机前轴承径向振动信号频谱图。
[0033]
图12为本发明应用例发电机后轴承径向振动信号频谱图。
[0034]
图13为本发明应用例主轴轴承径向振动信号频谱图。
[0035]
图14为本发明应用例主轴承轴向振动信号频谱图。
具体实施方式
[0036]
以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
[0037]
如图1所示，本发明一种风电机组新型传动链刚柔耦合建模系统，包括风电机组传动链刚柔耦合模型，所述风电机组传动链刚柔耦合模型包括风载支撑模块1、风载传递模块2、能量转化模块3和支撑模块4，所述风载支撑模块1包括叶片101、轮毂102、主轴103；风载传递模块2包括齿轮箱箱体201、行星架202、内齿圈203、行星轮204、太阳轮205、太阳轮轴206、中间级大齿轮轴207、中间级大齿轮208、中间级小齿轮209、中间级小齿轮轴210、高级大齿轮211、高速级小齿轮212、高速级小齿轮轴213、齿轮箱弹性支撑214；能量转化模块3包括制动盘301，发电机的联轴器302、发电机转子303、发电机定子304、发电机箱体305、发电机箱体弹性支撑306；支撑模块4包括主机架401、主轴承座402、变桨轴承403，其中风载支撑模块1提供输入载荷，与风载传递模块2相连接，风载传递模块2再将载荷传递给能量转化模
块3产生输出载荷，所有相互连接的模块则都安装在支撑模块4上；利用三维建模软件建立风电机组传动链刚柔耦合模型，对建模好的传动链刚柔耦合模型进行时域频域分析，找到零部件固有频率与激振频率绘制其二维坎贝尔图(2d campbell)，在图中判断零部件是否存在潜在的危险共振点。
[0038]
为保证使用效果，所述风载支撑模块1中，叶片101建模要求为柔性体且具有挥舞和拍打自由度，轮毂102建模要求为刚体具有六个自由度，主轴103建模要求为柔性体具有六个自由度，叶片101通过变桨轴承403与轮毂102连接，轮毂102再与主轴103连接，风载支撑模块主要用于提供风载输入，其中，所述叶片101沿所述轮毂102的周向间隔分布，所述轮毂套设于所述主轴103上，通过在所述叶片101上施加载荷，传递到所述轮毂102上以带动所述主轴103转动。
[0039]
所述风载传递模块2中，齿轮箱箱体201建模要求为柔性体且具有六个自由度；行星架202和内齿圈203建模要求为柔性体且具有六个自由度；行星轮204和太阳轮205建模要求为刚体且具有六个自由度；太阳轮轴206、中间级大齿轮轴207、中间级小齿轮轴210、高速级小齿轮轴213建模要求为柔性体且具有六个自由度，中间级大齿轮208、中间级小齿轮209、高级大齿轮211、高速级小齿轮212建模要求为刚体且具有六个自由度；齿轮箱弹性支撑208建模要求为弹簧阻尼力元且具有移动自由度，主轴103经由行星架202与行星轮203连接，将风载输入，该齿轮箱各部件连接符合一级行星轮和两级平行轴外啮合齿轮副构成要求，此外由于齿轮箱体的浮动特性，齿轮箱箱体201利用齿轮箱弹性支撑214的弹性阻尼力元模拟支撑，该模块负责主要传递载荷；其中，所述行星架202安装在主轴103上，行星轮204均布在行星架202上，行星架202通过行星轮204与内齿圈203结合安装固定于齿轮箱箱体201上，太阳轮205则与行星轮204连接，太阳轮205依次通过太阳轴206、中间级大齿轮轴207与中间级大齿轮208连接，中间级大齿轮208依次通过中间级小齿轮209、中间级小齿轮轴210与高级大齿轮211连接，高级大齿轮211通过高速级小齿轮212与高速级小齿轮轴213连接，高速级小齿轮轴213、中间级小齿轮轴210和中间级大齿轮轴207都与齿轮箱箱体201有轴承刚度/阻尼连接。
[0040]
所述能量转化模块3中，制动盘301建模要求为刚体且具有六个自由度；发电机联轴器302建模要求为柔性体且具有六个自由度；发电机转子303建模要求为刚体且具有六个自由度；发电机箱体305包含发电机定子304，建模要求为刚体且具有扭转、移动四个自由度；发电机弹性支撑306建模要求为弹簧阻尼力元且具有移动自由度；所有零部件符合发电机连接要求，其中制动盘301和联轴器302为一体，由于发电机的动态特性，将发电机箱体305通过发电机弹性支撑306的弹性阻尼力元模拟支撑，能量转化模块主要输出载荷扭矩；其中，所述发电机制动盘301直接与风载传递模块2中的高速级小齿轮轴213连接，而制动盘301通过联轴器302与发电机转子305连接，发电机转子305则与发电机定子306安装在发电机箱体305内。
[0041]
所述支撑模块4中，主机架401及主轴承座402建模要求为柔性体且为固定约束；变桨轴承403建模要求为弹簧阻尼力元且为全刚度矩阵；将风在支撑模块1、风载传递模块2、能量转换模块3安装在主机架401上，该模块主要提供支撑；其中，所述发电机箱体305、齿轮箱箱体201分别通过发电机箱体弹性支撑306、齿轮箱箱体弹性支撑214与主机架401铰接，主轴承座402则直接与主机架401连接。
[0042]
一种利用上述风电机组新型传动链刚柔耦合建模系统的模拟方法，在建立好的风电机组传动链刚柔耦合模型中，输入风载给风载支撑模块1模拟实际风电机组承受的风力载荷，带动叶片(101)旋转，叶片101通过变桨轴承403传递风能给轮毂102，轮毂102再传递给主轴(103)，模拟实际风电场中作用于风电机组的旋转力矩，使风载传递到轮毂102中心产生恒定的驱动力矩，根据不同风轮转速施加不同驱动力矩；同时，主轴(103)带动风载传递模块2，风载传递模块在能量转换模块3中发电机转子302上施加反馈力矩，在发动机转子302施加负载转矩，根据不同的风速，功率，施加发电机转速和扭矩，模拟实际风电机组发电机发电时产生的阻力矩，具体模拟方法包括以下步骤：
[0043]
s1.计算各部件的激励频率，激励频率主要由叶片、轴由于回转不平衡产生的转频激励以及齿轮的啮合刚度随时间变化引起的激励频率，因此考虑旋转频率和啮合频率引起的激励频率，进行激励频率求解，得到各部件的激励频率；
[0044]
s2.在simpack仿真软件中对风电机组传动链刚柔耦合模型中施加驱动和负载，在叶片施加风动载荷，使主轴产生驱动力矩；发电机转子及其定子间施加转矩模拟实际工况，通过输入发电机特性曲线完成反馈载荷施加，其载荷计算如下式所示：
[0045]
t
hub
＝＝t
genu[0046]
式中：t
hub
为轮毂扭矩，t
gen
为发电机转矩，u为齿轮箱传动比；
[0047]
将施加过后的载荷通过时间积分的方式求解动平衡，计算在切入、额定以及切除工况下的动平衡，在simpack中查看仿真处理结果，认为发电机转子速度波动在小数点后两位达到动平衡；
[0048]
s3.固有频率的计算，传动链动平衡之后对传动链刚柔耦合模型进行模态分析，利用特征值方法在simpack软件中对模型进行仿真，得到各零部件固有频率：
[0049][0050]
式中：k为传动链系统整体的扭转刚度，i为传动链系统的转动惯量；
[0051]
计算之后的文件中包含固有频率、阻尼值以及各部件在不同阶频下的能量，得到数据后对数据进行筛选，得到不同工况下的固有频率，得到不同工况下的固有频率；
[0052]
筛选数据得到不同工况下的固有频率的具体方法为：
[0053]
(1)选取一阶固有频率到齿轮啮合频率三倍频之间的频率值；
[0054]
(2)去除刚体模态下的频率值；
[0055]
(3)去除阻尼比大于或等于1的频率值；
[0056]
(4)去除阻尼比和频率值都很接近的频率以及模态能量分布图很接近的频率；
[0057]
(5)去除各个零部件的能量值全部小于1的频率值；
[0058]
(6)去除叶片外其他零部件的能量之和小于1％的频率值。
[0059]
绘制额定工况下每一阶频率下零部件的能连分布图，直观反映此频率下能量主要分布的零部件及占比，考虑能量比大于20％零部件进行后续分析；
[0060]
s4.结合能量分布图确定重要研究零部件，重要零部件根据gl2010标准，主要考虑能量比大于20％的零部件可能会产生危险共振点，需重点研究，因此认为为重要研究零部件，根据激励频率和固有频率绘制重要研究零部件的二维坎贝尔图，找出潜在共振点；潜在共振点出现在二维坎贝尔图中的折线交点，即某激励频率和固有频率值恰好重合，二维坎
贝尔图的纵坐标是固有频率，由于频率范围较宽，为进一步细化潜在共振点，将固有频率分为4个区间绘制二维坎贝尔图，4个固有频率区间分别为0～6hz、7～100hz、100～1000hz以及1000hz以上，结合模态分析和能量分布图确定潜在共振点；
[0061]
s5.潜在共振点可能出现假值，需要进行时域分析进一步验证，考虑风剪切和塔影效应，通过扭矩扫频扫过切入到切出整个区间，得到各部件的振动信号；将潜在共振点对应的振动部件的时域信号进行快速傅里叶变换转变为频域信号，得到振动加速度的频谱图，如果在激励频率处出现跳跃性的峰值，则判定该点为危险共振点，否则将其排除。
[0062]
本发明经实际应用，均取得了良好的技术效果，应用例如下：
[0063]
建立风电机组传动链刚柔耦合模型，基于实际某风电厂3wm风电机组进行模拟，包括以下步骤：
[0064]
s1.考虑旋转频率和齿合频率引起的激励频率，根据角加速度公式w＝2πf，已知转速可以得到相应部件的频率，输入额定转速11.3r/min，得到叶片的激励频率为0.1883hz，低速级太阳轮轴的激励频率为1.0038hz，中间级太阳轮轴的激励频率为6.5047hz，高速级输入轴的激励频率为6.5047hz，高速级输出轴的激励频率为28.2956hz，齿轮箱低速级啮合的激励频率为21.0802hz，齿轮箱中间级啮合的激励频率为162.6183hz，齿轮箱高速级啮合的激励频率为735.6852hz。
[0065]
s2.对新型传动链模型进行动平衡分析，在simpack仿真软件中通过input functions输入发电机的特性曲线(如图3所示)；
[0066]
施加风载传递到主轴，使主轴产生驱动力矩，当输入风机额定风速11.3r/min，发电机转速为178.023rad/s，发电机转矩18100nm，驱动力矩2718620nm，将驱动力矩和发电机转矩加载后采用时间积分计算动平衡(如图4所示)，发电机转子速度波动在小数点后两位波动即平衡。
[0067]
s3.对动平衡下的传动链动态模型进行模态仿真分析，求解传动链的各部件的固有频率和能量，进行数据处理，根据gl2010标准通过能量分布图找出能量值超过20％的零部件确定可能会出现危险共振点的零部件。
[0068]
s4.针对可能发生危险振动点的重要部件分四个频率区间绘制二维坎贝尔图，如图5所示。
[0069]
通过分析二维坎贝尔图的交点，筛选分析一共得到四个潜在共振点，分别在一级行星架其固有频率为31.4693hz，二级行星架及其固有频率288.1601hz,联轴器及其固有频率679.0256hz和高速级齿轮轴及其固有频率1141.7871hz。
[0070]
s5.为进一步验证零部件的潜在共振点是否为假点，针对齿轮箱中的行星架，联轴器，高速级齿轮轴进行时域分析，通过快速傅里叶变化得到该部件的分析。
[0071]
对比四个部件存在的潜在共振点，在频谱图中进行对比，发现在固有频率处未出现峰值，因此可断定为假点，排除潜在共振点。
[0072]
为了验证本模型和模拟方法的准确性，利用实际该风电厂3wm风电机组，在机组上布置振动传感器，进行在线监测得到振动信号，将仿真数据与实验数据进行对比分析。
[0073]
通过时域分析输出齿轮箱低速级、中间级、高速级径向振动信号频谱图，以及齿轮箱高速级径向，发电机前轴承径向、轴向，主轴轴承径向轴向的频谱图，将其仿真结果与实验结果进行频谱对比分析，如下图7-14所示，得到的仿真数据在实验数据中峰值点均有同
步出现，表面仿真与实验波形一致性较好，验证了所提出模型及仿真方法的准确性。