CN113390630A - 一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，通过使用大功率高扭矩测试台对风电齿轮箱在不同转速、扭矩下的刚度来计算风电齿轮箱的刚度和阻尼从而计算出扭振频率矩阵，并且通过采用增量码盘的方式来提高对风电齿轮箱转速精度的控制以及测量风电齿轮箱转速的精度，解决了原有的有限元仿真计算中无法准确计算齿轮箱等复杂结构或复杂接触***的扭转刚度和扭振频率的问题，以及存在刚度误差，在跨数量级时扭振无法计算这些问题。
Description
技术领域
本发明涉及风电齿轮箱测试领域，特别涉及一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法。
背景技术
风电机组在运行过程中，风速的变化，叶片变桨，电网次同步振荡，发电机匝间短路都会对传动链产生扭振激励，当扭振激励和扭转方向的固有频率耦合上时，会对包含齿轮箱在内的传动链各部件强度和寿命都会造成不利影响，其中齿轮箱是风机转动链最核心的部件，但其结构复杂，接触对多，有限元模拟、工程计算都无法准确算得齿轮箱的扭转刚度、阻尼及扭振频率，针对这一情况本申请提出了一种解决方案。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，对风电齿轮箱的刚度和阻尼进行测试，从而计算出风电齿轮箱的扭振频率矩阵。
技术方案：本发明所述的一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将待测试风电齿轮箱安装在测试台上，一端与工装轴连接，另一端与刹车盘连接，刹车盘的另一端与轴连器连接，轴连器的另一端连接有扭矩仪，扭矩仪另一端连接有提供电力的电机，电机的另一端连接有编码器以及变频器；
S2：实测变扭矩时的风电齿轮箱高速轴相对于低速轴的相位偏转量，计算出工装轴在不同扭矩下的不同刚度；
S3：在不考虑风电齿轮箱阻尼时，因工装轴结构简单，可通过有限元精确计算工装轴的扭转刚度，将工装轴的扭转刚度带入串联弹簧模型中，计算得出风电齿轮箱的扭转刚度；
S4：考虑风电齿轮箱阻尼时，将S3中工装轴的扭转刚度以及此时风电齿轮箱阻尼带入Maxwell粘弹模型中，计算风电齿轮箱的扭转刚度；
S5：对风电齿轮箱阻尼进行测试，对变转速时，齿轮箱急停后的转速震荡衰减进行振动力学分析，根据衰减曲线，解析出风电齿轮箱的阻尼比；
S6：由于风电齿轮箱的扭转刚度与转速无关，风电齿轮箱的阻尼与施加载荷无关，可根据多自由度***的多体动力学理论，计算得出风电齿轮箱在不同转速、不同扭矩下的扭振频率矩阵；
S7：根据变频的控制逻辑，对电机的施加的载荷进行等效线性化简化为简谐力，将S6得到的风电齿轮箱在不同转速、不同扭矩下的扭振频率矩阵进行修正；
S8：将刹车盘测得的转速波动和变频器给定的转速进行差值运算，并进行FFT变化，得出整体传动链的扭振频率；
S9：将整体传动链的扭振频率与电机的扭转刚度和联轴器的扭转刚度相结合，在不考虑阻尼的情况下，根据多体动力学理论和分析力学的计算方法，将风电齿轮箱从传动链中进行解耦，计算风电齿轮箱的扭振频率；
S10：运用S9中计算方法，计算出风电齿轮箱在不同转速下的扭振频率矩阵。
作为优选，所述S2中相位偏转量通过检测刹车盘上盘车齿轮的通过频率来计算，所述盘车齿轮上的齿不少于90个。
作为优选，所述S2中变扭矩实测时，需要保持转速不变，以10％额定扭矩为一个载荷步，进行实测。
作为优选，所述S5中，变转速测试时，风电齿轮箱空转，以10％额定转速为一个载荷步，控制测试台加载电机掉电，进行振动衰减测试。
作为优选，所述S5中对风电齿轮箱阻尼测试时，采用大功率高扭矩的测试台进行测试，具体包括以下内容：
核算电机配置：在大兆瓦测试台搭建齿轮箱测试台位，电机额定扭矩要高于测试时齿轮箱扭矩的6倍；
核算变频器整流配置：核算整体传动链的传动惯量，根据测试台逻辑控制的相应时间，估算急停时间，如若能保持完全同步,则不用考虑变频器配置；若无法保持完全同步，则计算急停瞬时，驱动电机反应阶段的发电功率，配置PWM型式的整流器和能够改善发电电能质量的陷波器或滤波器，或者配置当量发热功率的发热和散热***。
作为优选，所述S9中需要将风电齿轮箱从传动链中进行解耦，因此在风电齿轮箱输出端加装高精度码盘和高频转速测量设备，在风电齿轮箱输入端加装零位标记块和设备。
作为优选，为了提高测试过程中转速精度，通过采用增量码盘的方式来提高采样频率和精度，具体包括：确认编码器的测量精度和变频器的转速控制精度，稳态转速波动控制在0.01％F.S。
作为优选，为了提高对转速测量的精度，同样采用增量码盘的方式来提高采样频率和精度，具体包括以下步骤：
A：在刹车盘任意一齿顶上安装一个增高块，将一个电涡流传感器对准任意一个齿，将另一个电涡流传感器对准任意一个齿槽，将数采设备进行精准对时；
B：通过测试的位移时域数据，进行相位解析，每转过1转，激发2个波峰和2个波谷；
C：高速轴转速(相位)测量频率为高速轴转速*齿数*4*2Hz；
D：叠加时域波形和平移，将转速精度提高4倍；
E：在风电齿轮箱低速级工装轴上加装一个增高块和涡电流位移传感器，标定转动位移零点，增高块的轴向长度不大于轴直径的1/360，涡电流位移传感器的采样频率同齿轮箱输出轴转速测量频率相同。
作为优选，所述刹车盘采用铝合金材质，圆周内环进行镂空设计，确保转动惯量不高于风电齿轮箱高速轴转动惯量的5％，减少测试设备对测试结果影响。
有益效果：本发明解决了原有的有限元仿真计算中无法准确计算齿轮箱等复杂结构或复杂接触***的扭转刚度和扭振频率的问题，以及存在刚度误差，在跨数量级时扭振无法计算这些问题。
附图说明
图1是本发明中测试台的侧视图；
图2是本发明中刹车盘正视图；
图3是本发明中为提高转速测量精度，对刹车盘进行改造后局部示意图；
图4是本发明中对位移时域数据进行相位解析时波形示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
本发明中一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，具体包括以下步骤：
S1：将待测试风电齿轮箱2安装在测试台上，一端与工装轴1连接，另一端与刹车盘3连接，刹车盘3的另一端与轴连器连接，轴连器的另一端连接有扭矩仪4，扭矩仪4另一端连接有提供电力的电机5，电机5的另一端连接有编码器6以及变频器；
S2：实测变扭矩时的风电齿轮箱2高速轴相对于低速轴的相位偏转量，计算出风电齿轮箱2与工装轴1在不同扭矩下的不同刚度；
其中在变扭矩实测时，需要保持转速不变，以10％额定扭矩为一个载荷步，进行实测；
相位偏转量通过检测刹车盘3上盘车齿轮的通过频率来计算，盘车齿轮上的齿不少于90个，如图2所示；
S3：在不考虑风电齿轮箱2阻尼时，因工装轴1结构简单，可通过有限元精确计算工装轴1的扭转刚度，将工装轴1的扭转刚度带入串联弹簧模型中，计算得出风电齿轮箱2的扭转刚度；
S4：考虑风电齿轮箱2阻尼时，将S3中工装轴1的扭转刚度以及此时风电齿轮箱2阻尼带入Maxwell粘弹模型中，计算风电齿轮箱2的扭转刚度；
S5：对风电齿轮箱2阻尼进行测试，对变转速时，风电齿轮箱2急停后的转速震荡衰减进行振动力学分析，根据衰减曲线，解析出风电齿轮箱2的阻尼比；
其中在变转速测试时，风电齿轮箱2空转，以10％额定转速为一个载荷步，控制测试台加载电机5掉电，进行振动衰减测试；
并且在风电齿轮箱2阻尼测试过程中，电机5掉电对传动链造成较大的反向冲击，影响传动链机械安全或影响电网安全，因此需要采用大功率高扭矩的测试台进行测试，具体包括以下内容：
核算电机配置：在大兆瓦测试台搭建齿轮箱测试台位，电机额定扭矩要高于测试时齿轮箱扭矩的6倍；
核算变频器整流配置：核算整体传动链的传动惯量，根据测试台逻辑控制的相应时间，估算急停时间，如若能保持完全同步,则不用考虑变频器配置；若无法保持完全同步，则计算急停瞬时，驱动电机反应阶段的发电功率，配置PWM型式的整流器和能够改善发电电能质量的陷波器或滤波器，或者配置当量发热功率的发热和散热***；
在本实施例中采用的大功率高扭矩测试台最大功率18MW，最大传动扭矩140kN·m，可支持转速0～2000Rpm，配置陷波器，配置24MW整流及逆变器；
S6：由于齿轮箱的扭转刚度与转速无关，风电齿轮箱2的阻尼与施加载荷无关，可根据多自由度***的多体动力学理论，计算得出风电齿轮箱2在不同转速、不同扭矩下的扭振频率矩阵；
S7：根据变频的控制逻辑，对电机5的施加的载荷进行等效线性化简化为简谐力，将S6得到的风电齿轮箱2在不同转速、不同扭矩下的扭振频率矩阵进行修正；
S8：将刹车盘3测得的转速波动和变频器给定的转速进行差值运算，并进行FFT变化，得出整体传动链的扭振频率；
S9：将整体传动链的扭振频率与电机5的扭转刚度和联轴器的扭转刚度相结合，在不考虑阻尼的情况下，根据多体动力学理论和分析力学的计算方法，将风电齿轮箱2从传动链中进行解耦，计算风电齿轮箱2的扭振频率；
其中为了将风电齿轮箱2从传动链中进行解耦，因此在风电齿轮箱2输出端加装高精度码盘和高频转速测量设备，在风电齿轮箱2输入端加装零位标记块和设备；
S10：运用S9中计算方法，计算出风电齿轮箱2在不同转速下的扭振频率矩阵。
在整个测试过程中，为了提高测试过程中转速精度，通过采用增量码盘的方式来提高采样频率和精度，具体包括：确认编码器的测量精度和变频器的转速控制精度，稳态转速波动控制在0.01％F.S。
为了提高对转速测量的精度，同样采用增量码盘的方式来提高采样频率和精度，具体包括以下步骤：
A：在刹车盘3任意一齿顶上安装一个增高块8，将一个电涡流传感器7对准任意一个齿，将另一个电涡流传感器7对准任意一个齿槽，如图3所示，将数采设备进行精准对时；
B：通过测试的位移时域数据，进行相位解析，如图4所示，每转过1转，激发2个波峰和2个波谷；
C：高速轴转速(相位)测量频率为高速轴转速*齿数*4*2Hz；
D：叠加时域波形和平移，将转速精度提高4倍；
E：在风电齿轮箱2低速级工装轴上加装一个增高块8和涡电流位移传感器7，标定转动位移零点，增高块的轴向长度不大于轴直径的1/360，涡电流位移传感器的采样频率同风电齿轮箱2输出轴转速测量频率相同。
为了减少测试设备对测试结果影响，本实施例中对刹车盘3进行材料与结构的优化，刹车盘3采用铝合金材质，圆周的内环上进行了镂空设计，确保转动惯量不高于齿轮箱高速轴转动惯量的5％。
以上描述了本发明的基本实施过程和基本原则。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将待测试风电齿轮箱安装在测试台上，一端与工装轴连接，另一端与刹车盘连接，刹车盘的另一端与轴连器连接，轴连器的另一端连接有扭矩仪，扭矩仪另一端连接有提供电力的电机，电机的另一端连接有编码器以及变频器；
S2：实测变扭矩时的风电齿轮箱高速轴相对于低速轴的相位偏转量，计算出工装轴在不同扭矩下的不同刚度；
S3：在不考虑风电齿轮箱阻尼时，因工装轴结构简单，可通过有限元精确计算工装轴的扭转刚度，将工装轴的扭转刚度带入串联弹簧模型中，计算得出风电齿轮箱的扭转刚度；
S4：考虑风电齿轮箱阻尼时，将S3中工装轴的扭转刚度以及此时风电齿轮箱阻尼带入Maxwell粘弹模型中，计算风电齿轮箱的扭转刚度；
S5：对风电齿轮箱阻尼进行测试，对变转速时，齿轮箱急停后的转速震荡衰减进行振动力学分析，根据衰减曲线，解析出风电齿轮箱的阻尼比；
S6：由于风电齿轮箱的扭转刚度与转速无关，风电齿轮箱的阻尼与施加载荷无关，可根据多自由度***的多体动力学理论，计算得出风电齿轮箱在不同转速、不同扭矩下的扭振频率矩阵；
S7：根据变频的控制逻辑，对电机的施加的载荷进行等效线性化简化为简谐力，将S6得到的风电齿轮箱在不同转速、不同扭矩下的扭振频率矩阵进行修正；
S8：将刹车盘测得的转速波动和变频器给定的转速进行差值运算，并进行FFT变化，得出整体传动链的扭振频率；
S9：将整体传动链的扭振频率与电机的扭转刚度和联轴器的扭转刚度相结合，在不考虑阻尼的情况下，根据多体动力学理论和分析力学的计算方法，将风电齿轮箱从传动链中进行解耦，计算风电齿轮箱的扭振频率；
S10：运用S9中计算方法，计算出风电齿轮箱在不同转速下的扭振频率矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，其特征在于：所述S2中相位偏转量通过检测刹车盘上盘车齿轮的通过频率来计算，所述盘车齿轮上的齿不少于90个。
3.根据权利要求1所述的一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，其特征在于：所述S2中变扭矩实测时，需要保持转速不变，以10％额定扭矩为一个载荷步，进行实测。
4.根据权利要求1所述的一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，其特征在于：所述S5中，变转速测试时，风电齿轮箱空转，以10％额定转速为一个载荷步，控制测试台加载电机掉电，进行振动衰减测试。
5.根据权利要求1所述的一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，其特征在于：所述S5中对风电齿轮箱阻尼测试时，采用大功率高扭矩的测试台进行测试，具体包括以下内容：
核算电机配置：在大兆瓦测试台搭建齿轮箱测试台位，电机额定扭矩要高于测试时齿轮箱扭矩的6倍；
核算变频器整流配置：核算整体传动链的传动惯量，根据测试台逻辑控制的相应时间，估算急停时间，如若能保持完全同步,则不用考虑变频器配置；若无法保持完全同步，则计算急停瞬时，驱动电机反应阶段的发电功率，配置PWM型式的整流器和能够改善发电电能质量的陷波器或滤波器，或者配置当量发热功率的发热和散热***。
6.根据权利要求1所述的一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，其特征在于：所述S9中需要将风电齿轮箱从传动链中进行解耦，因此在在风电齿轮箱输出端加装高精度码盘和高频转速测量设备，在风电齿轮箱输入端加装零位标记块和设备。
7.根据权利要求1所述的一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，其特征在于：为了提高测试过程中转速精度，通过采用增量码盘的方式来提高采样频率和精度，具体包括：确认编码器的测量精度和变频器的转速控制精度，稳态转速波动控制在0.01％F.S。
8.根据权利要求1所述的一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，其特征在于：为了提高对转速测量的精度，同样采用增量码盘的方式来提高采样频率和精度，具体包括以下步骤：
A：在刹车盘任意一齿顶上安装一个增高块，将一个电涡流传感器对准任意一个齿，将另一个电涡流传感器对准任意一个齿槽，将数采设备进行精准对时；
B：通过测试的位移时域数据，进行相位解析，每转过1转，激发2个波峰和2个波谷；
C：高速轴转速(相位)测量频率为高速轴转速*齿数*4*2Hz；
D：叠加时域波形和平移，将转速精度提高4倍；
E：在风电齿轮箱低速级工装轴上加装一个增高块和涡电流位移传感器，标定转动位移零点，增高块的轴向长度不大于轴直径的1/360，涡电流位移传感器的采样频率同齿轮箱输出轴转速测量频率相同。
9.根据权利要求1所述的一种风电齿轮箱扭振频率测试的方法，其特征在于：所述刹车盘采用铝合金材质，圆周内环进行镂空设计，确保转动惯量不高于齿轮箱高速轴转动惯量的5％，减少测试设备对测试结果影响。
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Legal Events
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