风电机组传动链模拟实验台设计与实现

根据大型兆瓦级风力机设计并建造了风电机组传动链模拟实验台,平台由风轮转矩模拟系统和模拟风力机系统构成,通过计算机仿真程序对模拟风轮的输入转矩及模拟风力机的负载转矩进行控制。模拟风力机系统将主轴承、齿轮箱、塔筒等风力机关键部件引入实验系统,计算机仿真程序将剪切效应、塔筒效应等引起的脉动转矩加入风轮转矩输入实际控制程序。实验平台能够较为有效的模拟风力机运行状况,可以利用该平台进行风力机控制、传动链故障诊断等方面的研究。     

风力机结构耦合振动分析

采用通用动态尾流理论进行风力机气动力学的计算分析,并用MATLAB/Simulink进行编程,建立了风力机传动链的数学模型。在MATLAB/Simulink中进行传动链系统的编程运算,建立了风力机ADAMS柔性多体结构动力学仿真模型,并利用MATLAB/Simulink和ADAMS进行风力机振动性能的联合仿真。仿真时将气动载荷加载到风力机叶片结构上,将传动系统模型的反扭矩加到ADAMS风轮模型上,同时考虑风力机的结构变形对气动性能、传动性能产生的影响。仿真最终实现了风力机系统振动性能耦合分析,其数据同实验测试数据比较表明,该联合仿真方法可以较好地模拟风力机的振动特性。     

前端调速式风力机组传动链建模与仿真

对前端调速式风力机传动链关键部件的工作原理进行分析,建立数学模型。分别建立风速模型、风轮空气动力学模型、传动链动力学模型、液力变矩器动态模型以及主轴转速计算模型。整合各子系统,引入神经网络控制,建立传动链整体仿真模型,进行模拟仿真。基于最大风能捕获量,综合考虑传动链结构参数,通过神经网络调节液力变矩器导叶开度,改变工作油循环流量,从而改变液力变矩器的输出转矩和转速。液力变矩器输出与风轮输出通过行星轮系综合作用于发电机前的主轴,使主轴转速稳定在设计值。     

考虑时变啮合刚度的风机传动链动态性能

针对大型风力发电机组齿轮传动链动态刚度引起的机组结构振动问题,综合轮齿弯曲变形、齿根过度圆角处的基体变形和接触变形等因素,建立齿轮时变啮合刚度的量化分析模型,并与有限元动态啮合模型对比验证理论模型的正确性。在此基础上考虑齿轮时变啮合刚度和轴扭转刚度推导1.5 MW风力机传动链的动态总刚度,用于分析传动链在动态刚度下固有特性变化规律及传动链临界转速对动态刚度参数的敏感性,量化显示动态刚度幅值变化引起的临界转速波动。研究表明,齿轮时变啮合刚度的波动会引起传动链临界转速的不稳定,增大时变刚度幅值会引起转子系统临界转速的升高,但总体上啮合刚度波动对临界转速的影响处于非敏感区。本研究对揭示风力机齿轮传动链的内部刚度激励机理和实现系统动态性能优化设计提供理论依据。     

Y3180H型滚齿机分度传动链的改进

分度传动链是决定滚齿机工作精度的主要传动链。要提高滚齿机的工作精度,必须根据滚齿切削加工的特点,利用传动链误差的传递、综合和转嫁的规律,对分度传动链进行正确的分析,作出合理的设计。图1是Y3180H型滚齿机分度传动链的原理图。a为改进前的原理,b为改进后的原理,主要修改内容有以下几点:     

风力机主轴振动信号调理系统的设计

为了判断风力机是否正常运作,需要监测风力机关键部件的运行状态.主轴是风力机传动链的关键部件,振动信号监测法能准确地发现主轴故障,但通过传感器采集的信号不能直观显示主轴的振动情况.设计一种风力机主轴振动信号调理系统,对传感器采集到的振动信号进行调理,分析调理后的实验数据,最后利用数据采集卡将数据采集到计算机中,从而实现对主轴运行状态的监测.     

新型盾构机刀盘设计与有限元分析

为满足盾构机在复合型地层下掘进的需要,设计了一种新盾构机刀盘。刀盘主要由刀盘框架、滚刀、刮刀和泡沫管组成,可替代进口刀盘或可与其他进口装置组合使用。运用有限元软件对该刀盘在实际工况下的受力情况进行了分析,结果表明,刀盘能够满足实际工作要求,结构可靠性高。     

拉索式垂直轴风力机力学计算分析

拉索预紧力直接影响拉索式垂直轴风力机的变形,预紧力要能适应不同风速和不同运行状态下的作用力,使叶片变形量满足结构规范要求。通过分析拉索式垂直轴风力机的计算参数和受力情况,建立风力机静止状态和运行状态的两种计算模型,利用SolidWorksSimulation软件对拉索式垂直轴风力机模型进行力学计算分析。计算结果表明,通过施加合适的预紧力,垂直轴风力机叶片的变形能够控制在较小的范围,满足风力机叶片的刚性要求,拉索式垂直轴风力机结构是可行的,计算模型简单有效。     

盾构机刀盘连接件强度分析与优化

根据盾构机刀盘连接件受力特点,对四牛腿刀盘原有螺柱及定位销进行受力分析,四牛腿刀盘连接件转矩传递安全系数为2.81。根据新制六牛腿刀盘法兰孔位与主驱动输出法兰孔位相对位置关系,对新制六牛腿刀盘连接件强度进行计算分析,得到六牛腿刀盘连接件转矩传递安全系数为2.27,与原四牛腿刀盘相比,安全系数降低了19.2%,需对刀盘连接件孔位进行优化。优化后刀盘连接件转矩传递安全系数为3.81,与四牛腿刀盘相比,安全系数增加了35.6%,与优化前相比,安全系数增加了67.8%,优化后刀盘连接件强度满足使用要求。     

涡旋压缩机动涡旋盘应力及变形的研究

通过对实际工况下涡旋盘的受力分析，建立了有限元分析模型，并由此得到了空调用全封闭涡旋压缩机动涡盘在实际工况下的应力分布特点及变形规律，找出了零件最危险点，得出了对涡旋盘进行强度校核的比较准确的方法，并证明了涡旋齿头部修正的必要性。     

NTK300型风电机组主轴疲劳断裂失效分析

随着风电机组服役时间的逐年增长,早期投产的风电机组陆续出现主轴的疲劳断裂事故。本文结合国内某风电场的NTK300风电机组主轴断裂问题,对断裂主轴进行宏观和微观断口分析,结果表明:风电机组主轴在额定工况载荷作用下,虽工作应力水平较低,应力集中不明显,但长期服役后仍可能发生疲劳断裂。同时,通过有限元分析发现,额定工况载荷作用下的主轴在断裂位置处应力分布相对集中。通过主轴高周疲劳断面SEM图片的对比发现,主轴在断裂位置的轴向截面应力分布梯度与某一时刻疲劳裂纹萌生和扩张的方向基本一致。     

极端服役环境下的风电机组塔架结构参数优化研究

以大型风电机组塔架为对象,开展了极端服役环境下的塔架结构参数优化设计研究。采用壁厚分段式线性变化结构对塔架进行描述,介绍了基于BEM理论的风电机组气动载荷分析方法,运用有限元仿真分析塔架结构参数与极限载荷作用下的应力以及结构参数与固有频率的关联特性,采用支持向量机(SVM)方法分别构建了结构参数与应力、固有频率的快速计算模型。以质量最小为目标,强度、固有频率和边界条件为约束对塔架结构参数进行了设计优化,引入遗传算法(GA)进行优化求解。对某2MW风电机组塔架进行实例设计研究,结果表明优化后的塔架质量减小3.5%。      

兆瓦级风力发电机铸造弯头支座的强度分析

弯头支座是机舱内关键部件之一,也是整个直驱风机系统中受力状态最复杂的零部件之一。通过分析风力发电机组在重力、离心力、风压力及其组合作用时机舱弯头支座的承载状态,可以轻松求出最极端的受力。文中使用Samcef进行载荷计算,使用Ansys进行强度分析,系统明确的对风力发电机组弯头支座进行了验证,经过多次验证得出最优结构,取得了良好的效果。     

分散式风电机组复杂风况下阵风控制及载荷优化设计

讨论了分散式风电机组在大湍流强阵风复杂工况下的稳定性问题和阵风检测方式,分析了风电机组的气动特性和传动链模型。针对风电机组在阵风时的过速、过功率、振动过大问题,在传统变桨控制的基础上进行优化,提出动态变桨 ＰＩＤ 增益调节的阵风控制方法,并通过外部控制器编程实现并在 ＧＨＢｌａｄｅｄ软件上进行仿真。结果表明,该方法能够提高机组的稳定性和适应性,并有效降低复杂风况下分散式风电机组关键部位的极限载荷。     

基于光谱分析技术的风机齿轮箱系统维护策略研究

风机齿轮箱中轴承和齿面的磨损是齿轮箱最常见的累积故障,当齿轮箱中的系统部件的累积磨损达到一定量时就会严重威胁到整个风电机组的正常运行,甚至大大降低其使用寿命。基于光谱分析技术对风机齿轮箱进行维护策略的研究,依据设备的不同累积磨损情况建立3种不同维护方式下的齿轮箱的维护策略,基于概率模型建立齿轮箱系统的时间成本模型,以最少维护时间成本为优化目标,利用蒙泰卡罗方法模拟设备随机衰退过程对巡检周期进行仿真,仿真结果表明提出的方案可行且有效。     

极端高温下风力机叶片的性能分析

随着我国的气候的变化,初步探讨极端天气下风力机叶片的性能变化对提高风力机的可靠性具有一定的指导意义。选取750kW风力机叶片为研究对象,叶片材料选用碳纤维,在ANASYS Workbench中模拟极端高温下风力机叶片性能的变化。研究结果表明:碳纤维叶片极端高温下的等效应力、等效应变和位移和8月份平均最高温度下的相比分别增加了175%、180.7%和125.6%。这一结论将使在以后的叶片设计和生产中,积极考虑极端高温因素的影响。     

随机风作用下风力发电机齿轮传动系统动载荷计算及统计分析

针对风力发电机齿轮传动系统在随机风作用下失效率高的问题,在模拟真实风速的基础上,建立考虑外部随机风载及内部齿轮时变啮合刚度、轴承时变刚度及综合传递误差等激励因素的风力发电机齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型,通过对动力学模型进行仿真计算,得到各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力。结合有限单元法和赫兹接触理论,得到关键零部件的应力时间历程,采用雨流计数法对应力时间历程进行统计分析,得到传动系统各关键零部件承受载荷的应力谱及概率分布函数。研究结果为风力发电机齿轮传动系统的动态可靠性分析和疲劳寿命预测奠定基础。     

轮轴过盈联接有限元分析

通过接触仿真分析,研究接触单元在轮轴过盈联接中的应用。建立国产某型号汽轮机轮毂与轴接触仿真分析的模型,用ANSYS的接触单元计算轮轴接触区附近的应力,并与传统计算方法进行比较。说明利用接触单元分析过盈联接问题的精确性、有效性和可靠性,同时指出传统计算方法的局限性。     

Effects of gear modifications on the dynamic characteristics of wind turbine gearbox considering elastic support of the gearbox

The reliability and service life of wind turbines are directly influenced by the dynamic performance of the gearbox under the time-varying wind loads. The control of vibration behavior is essential for the achievement of a 20-year service life. We developed a rigid-flexible coupled dynamic model for a wind turbine gearbox. The planet carrier, the housing, and the bedplate are modelled as flexibilities while other components are assumed as rigid bodies. The actual three points elastic supporting are considered and a strip based mesh model is used to represent the engagement of the gear pairs. The effects of gear tooth modifications on the dynamics were investigated. Finally, we conducted a dynamic test for the wind turbine gearbox in the wind field. Results showed that the contact characteristics of gear pairs were improved significantly; the peak-to-peak value of transmission error of each gear pair was reduced; the amplitudes of the vibration acceleration and the structural noise of the wind turbine gearbox were lowered after suitable tooth modification.     

34CrNi3Mo钢汽轮机叶轮的断裂分析

本文分析了叶轮裂纹产生的原因,认为与应力腐蚀有关。用大型CT试样测定了叶轮材料室温下的断裂韧度,并用小型三点弯曲试样测定了室温下和工作温度下的J (lc)。初步测定了应力腐蚀裂纹扩展速度da/dt。引用应力场叠加原理近似地估算了叶轮裂轮纹尖端的应力强度因子,从而算出了临介裂纹长度和剩余使用寿命。