基于多体动力学的风电机组偏航系统载荷响应分析

针对风力发电机组偏航系统在复杂载荷下的冲击激励响应研究仍处于起步阶段,为了辅助解决偏航系统在复杂激励下故障频发这一问题,提出了一种基于多体动力学的风电机组偏航系统载荷响应分析方法。首先,以停机时刻出现摇摆现象的某兆瓦级风电机组偏航系统为研究对象,建立了偏航系统多体动力学仿真模型,对风电机组偏航驱动在启停机、偏航过程中的载荷响应进行了分析;然后,根据现场建压站建压曲线和偏航驱动器的摆动方向,分析了造成偏航驱动在停机时刻摆动的原因;接着,采用动力学仿真分析的方法研究了偏航系统停机策略对螺栓所受拉力的影响,并在风场设置对照组进行了验证;最后,在偏航系统生产企业搭建了测试平台,开展了偏航系统测试,根据偏航过程中的扭矩波动幅值和周期,验证了偏航驱动模型的有效性。研究结果表明:摇摆问题的主要原因是偏航停机时刻的驱动组件与主机架结合面承受了过大的倾覆力矩,造成结合面上的螺栓承受了245.21 kN的拉力,超过了本身屈服强度的拉伸应力220.5 kN;对偏航控制策略进行了优化,将偏航液压刹车释放延时由1.5 s改为0.1 s,螺栓所受拉力降至220.48 kN;开展了偏航系统多体动力学仿真研究,为分析和解决偏航系统现场故障提供了数据支持,可有效提高偏航系统故障的解决效率。

兆瓦级风力机组偏航齿圈螺栓联接强度分析

建立兆瓦级风力发电机组偏航过程动力学模型和偏航齿圈与塔架法兰处螺栓联接三维模型并运用Hypermesh软件处理,在ABAQUS中建立螺栓接触模型,取预紧力为屈服极限σp0.2的60%~80%对螺栓联接偏航过程静力学性能进行分析。研究结果表明：通过对比不同预紧力工况下得出的应力强度与疲劳强度,提出可供参考的预紧力Fv取值范围;当且预紧力为0.7σp0.2时,螺栓及其连接件应力应变最理想,在仅受预紧力和加载极限载荷后最大应力分别为712.5 MPa和733.4 MPa,工作应力下的安全系数SF=1.28,满足强度设计要求,为该兆瓦级风力发电机组偏航齿圈螺栓联接及其他连接系统的应力强度校核、疲劳分析等提供参考,便于进一步优化设计。

兆瓦级风力机偏航齿圈高强度联接螺栓螺纹表面裂纹扩展分析

建立兆瓦级风力机偏航齿圈与塔架法兰处高强度联接螺栓联接三维模型并在Hypermesh前处理,在ABAQUS建立高强度联接螺栓接触模型,按照不同裂纹深度和不同裂纹长度对高强度联接螺栓螺纹底端表面裂纹和螺纹顶端表面裂纹的扩展进行仿真分析。研究结果表明:高强度联接螺栓最大应力位置与裂纹位置无关,均出现在螺纹连接第1个螺纹处;当初始裂纹设置在第1个螺纹处时,由于高强度联接螺栓联接结构裂纹处产生应力集中、发生裂纹扩展现象,导致高强度联接螺栓应力过大,严重影响连接可靠性,故应特别注意此类裂纹,并防止其出现。

兆瓦级风电偏航减速机行星齿轮疲劳仿真分析

针对兆瓦级风电偏航减速机的运行工况,采用Pro/E对新型风电偏航减速机进行了虚拟装配,利用Pro/E与ANSYS之间的接口技术建立了新型风电偏航减速机行星齿轮接触模型,模拟行星齿轮运转过程中的接触应力变化.结果表明:行星齿轮初始啮合最大接触应力为395MPa,啮合过程最大应力为460MPa,但仍小于行星齿轮材料的屈服极限.通过对兆瓦级风电偏航驱动减速机行星齿轮疲劳载荷和42CrMo材料的S-N曲线分析,结果显示齿轮轮齿的疲劳寿命为125 800次,累计疲劳系数为0.725 01,能满足兆瓦级风电偏航减速机行星齿轮设计与运行要求.

新型风电偏航减速机动力学仿真分析

针对新型风电偏航减速机的运行工况,利用Pro/E对新型风电偏航减速机进行虚拟装配,利用Pro/E与ADAMS之间的接口技术在ADAMS中构建虚拟样机模型,并以此为基础建立新型风电偏航减速机工作过程的动力学模型。通过采用Gear预估-校正算法对该动力学模型进行分析。研究结果表明:新型风电偏航减速机仿真实测传动比为1 149.4,系统从启动到停止过程中活齿销楔形齿头的最大工作应力约为400 MPa,其安全系数在2以上;根据仿真结果在针套和针齿之间采用间隙配合,将激波器的偏心轮套上1个转臂轴承,可在很大程度上提高新型风电偏航减速机的疲劳寿命。

基于ADAMS的风力发电机偏航齿轮动态特性研究

由于风力发电机偏航系统工作环境复杂,风向的变化在启动与停止间不断切换,且承受较大的冲击载荷,加之风力发电机为高空设备,安装、维护与检修困难,对其使用寿命及运行稳定性都具有较高的要求。根据多体系统动力学理论,利用UG建立风力发电机偏航系统齿轮副简化模型。针对该模型,使用多体系统动力学软件ADAMS分析研究风力发电机偏航启动过程中偏航齿轮传动系统的动力学特性。通过仿真计算,得到了动态啮合力的时程曲线,揭示了偏航齿轮启动时的动态特性。

风电偏航减速器四级行星传动系统可靠性优化设计研究

基于可靠性优化设计理论,采用分步优化法,分别建立了以减速器整体外廓尺寸最小为目标函数的传动比优化分配模型和以单级传动体积最小为目标函数的齿轮参数优化数学模型,运用MatLab优化工具箱(Optimtool)进行求解。优化设计结果表明,在满足使用要求且保证可靠度的前提下,偏航减速器的体积比原设计降低了约3.5%,为多级行星齿轮传动系统可靠性优化设计的进一步发展提供了一种有效途径。

偏航传动齿轮研究及自适应系统结构设计

针对风力发电机偏航传动系统中传动小齿轮的失效问题,从传动齿轮的失效形式以及齿轮制造和安装的误差分析着手,指出瞬间累计误差过大所产生的冲击载荷是传动齿轮失效的主要原因。结合1.5 MW风力机,首次提出了小齿轮与固定平台间采用柔性连接的偏航自适应系统,该系统通过弹性调节齿轮中心距的方法来调节齿轮的啮合状态,旨在解决偏航小齿轮和偏航中心轮间瞬间严重过载问题,降低启动动载荷,得到延长偏航系统使用寿命的目的。

偏航减速器行星传动系统静力学均载特性研究

建立了行星齿轮传动系统的静力学均载计算模型,基于当量啮合误差原理,推导齿轮各误差的当量化计算公式和行星齿轮传动系统的均载系数计算公式。以偏航减速器四级行星传动系统为例,运用Matlab编程计算出各级传动的均载系数;分析了基本构件制造、安装误差对第一级行星传动系统载荷分配均匀性的影响情况,并对其影响程度作了比较;通过分析系统均载系数函数的幅相频率特性,得到其主要频率成分以及各行星轮出现均载不理想时的相位,为风机偏航减速器用行星齿轮传动的设计、加工等提供工程应用参考。

风电偏航齿轮有限元分析

为提高MW级风电机组偏航轴承的可靠性,以偏航轴承齿轮为主要研究对象,通过三维实体建模,利用有限元分析软件对偏航轴承齿轮进行静载荷、模态和谐响应分析,得到在静载荷作用下的弯曲应力应变云图、前10阶模态振型图以及位移-速度-加速度频率曲线;仿真结果表明,偏航轴承齿轮的最大变形量和振动发生在第8阶模态频率2140.6 Hz附近,因此在偏航齿轮设计过程中应尽可能避开该频率,防止偏航轴承在运行时发生共振。

风力发电机偏航(开式)齿轮润滑脂的研制

为了解决风力发电机偏航(开式)齿轮润滑脂的国产化问题,对风力发电机偏航(开式)齿轮润滑脂进行了研究。通过对基础油和添加剂的筛选,偏航(开式)齿轮润滑脂由调合基础油(40℃运动黏度典型数据365.0 mm2/s,黏度指数典型数据95,倾点典型数据-12℃),聚异丁烯黏度指数改进剂,高碱值磺酸钙稠化剂,7.5%的复合极压抗磨剂(1.0%的有机钼极压抗磨剂+1.5%的ZnDDP极压抗磨剂+5.0的固体极压抗磨剂),0.5%的胺型抗氧剂,0.1%的噻二唑衍生物金属减活剂和3.0%的磺酸盐防锈剂组成。在转化剂作用下,在50℃~100℃的温度下转化30 min^90 min即可得到磺酸钙基偏航(开式)齿轮润滑脂。偏航(开式)齿轮润滑脂的典型性能为60次工作锥入度283单位,滴点294℃,相似黏度(-30℃±1℃,10 s-1)2000 Pa·s,滑落试验(70℃±0.5℃,48 h)合格,油膜脆裂性试验(-40℃±1℃,30 min)合格,蒸发损失(100℃±0.5℃,22 h)0.43%,盐雾箱试验(10号钢,35℃±1℃,3 d)0级,烧结负荷6080 N,Timken OK值133 N,磨痕直径(75℃,1200 r/min,392 N,60 min)0.478 mm。达到了设定的研制目标,且与进口偏航(开式)齿轮润滑脂的性能相当。实际使用表明,偏航(开式)齿轮润滑脂能够满足风力发电机偏航(开式)齿轮的润滑要求。(图1表5参考文献4)

试论风电机组偏航、变桨减速齿轮箱的润滑管理

本文在阐述风电机组偏航、变桨减速齿轮箱润滑管理必要性的基础上，分析了目前风电场在风电机组偏航、变桨减速齿轮箱润滑管理的现状，并提出了润滑管理的具体措施。

风力发电机组偏航和变桨减速器在用齿轮油更换周期的研究

风电机组偏航和变桨减速器的润滑是保障风电机组安全高效运行的关键性因素之一。为了研究风电机组偏航和变桨减速器在用齿轮油的衰变特性,指导现场按质换油,本文提出了风电机组偏航和变桨减速器在用齿轮油换油周期的优化方法。通过对200台风电机组在用偏航和变桨齿轮油的劣化情况进行跟踪与评估,结果表明,偏航和变桨减速器在用齿轮油在机组运行了8000-10000小时后应予以更换。该研究结果可以为我国现有风电机组偏航和变桨减速器齿轮箱在用齿轮油的更换提供参考。

多兆瓦级风力发电机组偏航变桨齿圈抗磨损自动检测方法研究

由于传统抗磨损自动检测方法对偏航变桨齿圈抗磨损的检测精度低,使得齿圈的摩擦力仍然很大,提出了多兆瓦级风力发电机组偏航变桨齿圈抗磨损自动检测方法研究。通过分析多兆瓦级风力发电机组的偏航变桨齿圈的轴承磨损,得到了偏航变桨齿圈叶片根部的局部坐标系,并结合了齿面微动磨损和接触应力的分析,完成了偏航变桨齿圈的齿面磨损分析;接着通过计算偏航变桨齿圈的磨损量和可靠度,得到了可靠度、安全系数随着磨损量的变化曲线,来保证偏航变桨齿圈在运行中的可靠性,最后依托抗磨损线性化数学模型的建立,实现了偏航变桨齿圈抗磨损的自动检测。实验结果表明,提出的自动检测方法相比于传统自动检测方法,对偏航变桨齿圈的抗磨损自动检测精度提升了45.1%,适合检测偏航变桨齿圈的抗磨损程度。