CN116857132B - 一种大型风电机组偏航***试验台及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型风电机组偏航***的加载试验台加载试验方法，偏航***包括偏航轴承和多级行星齿轮减速器，多级行星齿轮减速器的输入轴与偏航轴承的轴承内圈传动连接；轴向加载***包括轴向加载单元和轴向控制器，轴向加载单元与轴承外圈连接，通过轴向控制器控制轴向加载单元向轴承外圈施加设定的轴向载荷；转矩加载***包括转矩加载单元和转矩控制器，转矩加载单元与轴承内圈传动连接，通过控制转矩加载单元向轴承内圈施加转矩，驱动轴承内圈相对于轴承外圈转动。能够根据不同环境下的不同负载数据，在偏航***同时进行轴向加载和转矩加载，测试偏航***结构的使用合理性和运转稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是一种大型风电机组偏航***试验台及试验方法。
背景技术
随着新能源产业的发展，各种与新能源有关的研究课题变得越来越火热。而新能源研究中十分重要的一部分——风力发电技术，这种技术的研究在全国范围内是有产业的相关需求的，所以说研究风电技术相关的试验台是十分有价值的。
风力发电机的偏航***是使机舱在不同方向的风力来临时能够以确保风电机组中的叶片截面能够正面面朝向风向的***。一般来说，这些***的动力由偏航电机提供，偏航电机连接的偏航减速器通过输出齿轮轴上的小齿轮连接到偏航轴承，为整个风电机组的偏航***转向提供动力。除了偏航电机和偏航减速器外，偏航轴承上的制动器也能让偏航***在对准风向时能够准确的停止机舱的转动。在正常工作条件下，偏航制动器接合，当***开始偏航时，偏航制动器松开，电机启动。
由于风力方向和风速大小的不可测性，所以研究风电机组的变桨和偏航就变得尤为重要。风电机组安装环境大多数较为恶劣，多处于海面、荒野、高原等一些人类不宜居住的地方，这就使得风电机组的维修较为困难。所以在安装前能够模拟对偏航***的负载试验尤为重要，现有技术的试验大多数是对偏航***里的部分构件进行，缺少能够完成整个偏航***的设备和方法。
发明内容
基于此，本发明提供了一种大型风电机组偏航***试验台及试验方法，根据现实运行的力学环境，对偏航***进行轴向加载和转矩加载，对整个偏航***进行试验及整体性能评估，为偏航***的结构设计和运行控制提供依据。
为了达到上述目的，第一方面，本发明提供了一种大型风电机组偏航***的加载试验台，包括机架、偏航***、轴向加载***和转矩加载***；所述偏航***包括偏航轴承和多级行星齿轮减速器，所述多级行星齿轮减速器的输入轴与偏航轴承的轴承内圈传动连接；所述轴向加载***包括轴向加载单元和轴向控制器，所述轴向加载单元与轴承外圈连接，通过轴向控制器控制轴向加载单元向轴承外圈施加设定的轴向载荷；所述转矩加载***包括转矩加载单元和转矩控制器，所述转矩加载单元与轴承内圈传动连接，通过控制转矩加载单元向轴承内圈施加转矩，驱动轴承内圈相对于轴承外圈转动。
进一步的，所述轴向加载单元包括轴向加载组件和轴向传递组件，所述轴向加载组件包括多个并圆周均布的设置在偏航轴承外侧的机架上，各轴向加载组件分别通过单独的轴向传递组件与轴承外圈连接，各轴向加载组件通过轴向传递组件分别向轴承外圈施加轴向力。
进一步的，各轴向加载组件包括上下相对布置的上单柱式液压机和下单柱式液压机，所述上单柱式液压机和下单柱式液压机上下相对的设置在机架上，上单柱式液压机和下单柱式液压机的活动杆分别与轴向传递组件的输入端连接，轴承外圈与轴向传递组件的输出端连接。
进一步的，所述轴向传递组件包括上板、连接弹簧和下板，所述上板和下板间隔布置并且至少前端的间隔距离与轴承外圈的厚度一致，所述连接弹簧包括多个并阵列布置在上板和下板之间。
进一步的，所述上单柱式液压机的活动杆与上板连接，下单柱式液压机的活动杆与下板连接，上板与轴承外圈的上表面连接，下板与轴承外圈的下表面连接，所述轴向传递单元的上板与轴承外圈之间设置有上压力传感器、下板与轴承外圈之间设置有下压力传感器，单柱式液压机的控制器根据接收上压力传感器和下压力传感器的压力信号控制两个单柱式压力机动作，调整对轴承外圈的不同周向位置的轴向载荷。
进一步的，所述转矩加载单元还包括法兰盘，所述法兰盘连接在轴承内圈的底侧并圆周均布有外轮齿，所述转矩加载单元的输出端设置有与所述外轮齿配合的外齿轮。
进一步的，所述转矩加载单元包括减速电机，各减速电机与电机控制器控制连接，各减速电机的输出端设置有转矩传感器，电机控制器根据转矩传感器的转矩信息控制减速电机的启停和转速大小。
进一步的，还包括转矩负载***，所述转矩负载***包括转矩负载单元和负载控制器，所述转矩负载单元包括多个并沿着偏航轴承圆周均布，所述机架顶部设置有沿径向向内延伸的支撑板，所述多级齿轮减速器的壳体固定连接在所述支撑板上，各转矩负载单元分别与多级行星齿轮加速器的输出轴驱动连接，负载控制器与各转矩负载单元控制连接，控制各负载单元的负载。
为了达到上述目的，第二方面，本发明提供了一种大型风电机组偏航***加载试验方法，包括步骤：
S10：将偏航轴承放置于机架中心，多级减速器通过机架上的支撑板支撑，输出轴与轴承内圈传动连接，轴承内圈底部连接法兰盘；
S20：轴向加载***的各轴向加载组件分别通过轴向传递组件与轴承外圈连接；
S30：转矩加载***的各转矩加载单元通过法兰盘与轴承内圈连接；
S40：通过轴向加载***向偏航轴承的轴承外圈施加轴向载荷，通过转矩加载***向偏航轴承的轴承内圈施加驱动转矩。
进一步的，在驱动偏航轴承转动的过程中，动态设置各轴向加载单元的输出力大小不同，模拟偏航***工作过程中受到动态变化的风向和风力场景。
本发明提供的大型风电机组偏航***的加载试验台及试验方法的技术优势主要体现在：
第一方面，通过偏航轴承和多级行星齿轮加速器搭建了偏航***，并通过设置轴向加载***对偏航轴承的轴承外圈支撑及施加轴向载荷，通过转矩加载***对偏航轴承的轴承内圈施加转矩载荷，实现偏航***的工作状态模拟，检测偏航***运转稳定性；
第二方面，根据现实的偏航***的力学条件，通过轴向控制器对偏航***施加轴向载荷，通过转矩控制器对偏航***施加转矩载荷，实现偏航***的工作状况模拟，得出运行参数，为偏航***的结构合理优化提供依据；
第三方面，这种试验台对整个偏航***来进行加载试验的。它不仅仅是对偏航轴承或者偏航减速器进行简单的加载试验，而且对偏航***进行了不同方向上的同时加载，轴向加载和转矩加载同时进行并且调空方便，当偏航***面对不同环境的不同负载时，本设计的试验台也可随之而改变加载数据。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为所提供的大型风电机组偏航***试验台的实施例的局部剖开的主视图；
图2为所提供的大型风电机组偏航***试验台的实施例的局部剖开的俯视图；
图3为图1的右侧部分的局部示意图；
图4为轴向加载***与偏航***的连接结构示意图；
图5为图4的右侧部分的局部示意图；
图6为法兰盘与偏航轴承拆分后的结构示意图；
图7为图6的A处的局部放大图；
图8为轴向传递组件的结构示意图；
图9为轴向加载组件与轴向传递组件连接的结构示意图；
图10为所提供的大型风电机组偏航***加载试验方法的流程框图。
附图标识说明：
1-机架；
2-偏航轴承，21-轴承内圈，22-轴承外圈；
3-轴向传递装置，31-上板，32-弹簧，33-下板；
4-轴向加载装置，41-上单柱式液压机，42-下单柱式液压机；
5-法兰盘；
6-转矩加载单元；
7-多级行星齿轮减速器；
8-负载转矩单元。
具体实施方式
风力发电机的偏航***是使机舱在不同方向的风力来临时能够以确保风电机组中的叶片截面能够正面面朝向风向的***。一般来说，这些***的动力由偏航电机提供，偏航电机连接的偏航减速器通过输出齿轮轴上的小齿轮连接到偏航轴承，为整个风电机组的偏航***转向提供动力。除了偏航电机和偏航减速器外，偏航轴承上的制动器也能让偏航***在对准风向时能够准确的停止机舱的转动。在正常工作条件下，偏航制动器接合，当***开始偏航时，偏航制动器松开，电机启动。风电机组安装环境大多数较为恶劣，多处于海面、荒野、高原等一些不宜人类居住的地方，使风电机组的维修较为困难，所以在安装前能够模拟对偏航***的负载试验就显得尤为重要。目前，对风电机组偏航***的负载研究中，大多数是对偏航***中部分构件的加载试验，对整个偏航***的试验台研究几乎没有。但在实际运行过程中，整个***各部件之间存在相互作用和影响，对局部部件单独加载试验不能全面的评估整个偏航***的性能，一些隐藏的问题或潜在的故障风险不能被发现，所以有必要研究一种对整个偏航***进行加载试验的试验台。
针对上述技术问题，本发明提供了一种大型风电机组偏航***的加载试验台加载试验方法，偏航***包括偏航轴承和多级行星齿轮减速器，多级行星齿轮减速器的输入轴与偏航轴承的轴承内圈传动连接；轴向加载***包括轴向加载单元和轴向控制器，轴向加载单元与轴承外圈连接，通过轴向控制器控制轴向加载单元向轴承外圈施加设定的轴向载荷；转矩加载***包括转矩加载单元和转矩控制器，转矩加载单元与轴承内圈传动连接，通过控制转矩加载单元向轴承内圈施加转矩，驱动轴承内圈相对于轴承外圈转动。能够根据不同环境下的不同负载数据，在偏航***同时进行轴向加载和转矩加载，测试偏航***结构的使用合理性和运转稳定性。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。需要说明的是，在技术不发生冲突的前提下，各实施例可以自由组合，而不限于所例举的实施例范围。
如图1至图2所示，本发明提供的一种大型风电机组偏航***的加载试验台，加载试验台包括机架1、偏航***、轴向加载***和转矩加载***；偏航***包括偏航轴承2和多级行星齿轮减速器7，偏航轴承包括轴承内圈21和轴承外圈，其中轴承内圈通过机架支撑而轴向固定，偏航轴承2的轴承内圈21圆周均布有内轮齿，多级行星齿轮减速器7包括多个并圆周均布在偏航轴承2外，各多级行星齿轮减速器7的输入轴分别设置有与内轮齿配合连接的内齿轮；轴向加载***包括多个轴向加载单元和轴向控制器，轴向加载单元圆周均布在偏航轴承2外侧，各轴向加载单元的输出端对轴承外圈22支撑，通过轴向控制器控制各轴向加载单元向轴承外圈22分别施加设定的轴向载荷；转矩加载***包括转矩加载单元6和转矩控制器，转矩加载单元6包括多个并圆周均布在偏航轴承2下方，各转矩加载单元6分别于轴承内圈21驱动连接，转矩控制器与各转矩加载单元6控制连接，控制各转矩加载单元6向轴承内圈21施加转矩，驱动轴承内圈21相对于轴承外圈22转动。
如图10所示，所提供的一种大型风电机组偏航***加载试验方法，包括：
S10：将偏航轴承2放置于机架1中心，多级减速器通过机架1上的支撑板支撑，输出轴与轴承内圈21传动连接，轴承内圈21底部连接法兰盘5；
S20：轴向加载***的各轴向加载组件4分别通过轴向传递组件3与轴承外圈22连接；
S30：转矩加载***的各转矩加载单元6通过法兰盘5与轴承内圈21连接；
S40：通过轴向加载***向偏航轴承2的轴承外圈22施加轴向载荷，通过转矩加载***向偏航轴承2的轴承内圈21施加驱动转矩。
优选的，在驱动偏航轴承2转动的过程中，动态设置各轴向加载单元的输出力大小不同，模拟偏航***工作过程中受到动态变化的风向和风力场景。
本发明提供的大型风电机组偏航***试验台和试验方法，对整个偏航***来进行加载试验的。通过偏航轴承和多级行星齿轮加速器搭建了偏航***，并通过设置轴向加载***对偏航轴承的轴承外圈支撑及施加轴向载荷，通过转矩加载***对偏航轴承的轴承内圈施加转矩载荷，实现偏航***的工作状态模拟，检测偏航***运转稳定性；它不仅仅是对偏航轴承或者偏航减速器进行简单的加载试验，而且对偏航***进行了不同方向上的同时加载，轴向加载和转矩加载同时进行并且调空方便，当偏航***面对不同环境的不同负载时，本设计的试验台也可随之而改变加载数据，对偏航***进行轴向加载和控制提供依据。
如图3、图4和图5所示，在一些优选的实施例中，轴向加载单元包括轴向加载组件4和轴向传递组件3，轴向加载组件4包括多个并圆周均布的设置在偏航轴承2外侧的机架1上，各轴向加载组件4分别通过单独的轴向传递组件3与轴承外圈22连接，各轴向加载组件4通过轴向传递组件3分别向轴承外圈22施加轴向力。进一步的，各轴向加载组件4包括上下相对布置的上单柱式液压机41和下单柱式液压机42，上单柱式液压机41和下单柱式液压机42上下相对的设置在机架1上，上单柱式液压机41和下单柱式液压机42的活动杆分别与轴向传递组件3的输入端连接，轴承外圈22与轴向传递组件3的输出端连接。通过设置多个轴向加载组件在偏航轴承外，能够对偏航轴承的各个轴向角度施加不同的轴向力载荷，模拟现实运行中不同的风向和风力的运行工况，而对置的上单柱式液压机和下单柱式液压机，能够保障施加的轴向载荷的稳定性和角度的变化范围。
如图图8和图9所示，在具体实施过程中，轴向传递组件3包括上板31、连接弹簧32和下板33，上板31和下板33间隔布置并且至少前端的间隔距离与轴承外圈22的厚度一致，连接弹簧32包括多个并阵列布置在上板31和下板33之间。机架1包括环布于偏航轴承2外的立柱，上单柱式液压机41和下单柱式液压机42分别设置在立柱上，上单柱式液压机41的活动杆与上板31连接，下单柱式液压机42的活动杆与下板33连接，上板31与轴承外圈22的上表面连接，下板33与轴承外圈22的下表面连接。轴向传递组件的这种结构设置，在轴向载荷变化过程中，保持轴向传递组件与偏航轴承的稳定连接，提高试验的连续稳定性。能够向偏航轴承施加稳定持续的力，进一步的，轴向传递单元的上板31与轴承外圈22之间设置有上压力传感器、下板33与轴承外圈22之间设置有下压力传感器，单柱式液压机的控制器根据接收上压力传感器和下压力传感器的压力信号控制两个单柱式压力机动作，调整对轴承外圈22的不同周向位置的轴向载荷。能够实现轴向载荷按照设定值进行设置，提高试验的模拟精度，从而得出更为精确的试验数据。
如图4、图5、图6和图7在一些优选的实施例中，转矩加载单元6还包括法兰盘5，法兰盘5连接在轴承内圈21的底侧并圆周均布有外轮齿，转矩加载单元6的输出端设置有与外轮齿配合的外齿轮。进一步的，转矩加载单元6包括减速电机，各减速电机与电机控制器控制连接，各减速电机的输出端设置有转矩传感器，电机控制器根据转矩传感器的转矩信息控制减速电机的启停和转速大小，有效控制输入转矩的大小准确性。
如图1和图3在一些优选的实施例中，所提供的大型风电机组偏航***试验台还包括转矩负载***，转矩负载***包括转矩负载单元和负载控制器，转矩负载单元包括多个并沿着偏航轴承2圆周均布，机架1顶部设置有沿径向向内延伸的支撑板，多级齿轮减速器的壳体固定连接在支撑板上，各转矩负载单元分别与多级行星齿轮加速器的输出轴驱动连接，负载控制器与各转矩负载单元控制连接，控制各负载单元的负载。进一步的，转矩负载单元包括制动组件和制动力控制组件，各制动力控制组件与制动组件连接，通过制动力控制组件调节制动组件的制动力矩大小。
进一步的，制动组件为可调式阻尼制动器，各阻尼式制动器与制动力控制组件连接，通过制动力控制组件调节阻尼的大小。
相应的，大型风电机组偏航***试验方法包括：负载加载***的负载转矩单元8与多级减速器的输入轴连接，通过负载加载***向轴承内圈21施加负载；在驱动偏航轴承2转动的过程中，通过转矩负载单元向多级齿轮减速器的输入轴施加设定的转矩阻力，模拟偏航***工作过程中受到的动态负载。
通过转矩负载***，向偏航***施加转矩负载，模拟带负载工况的偏航***的运行工况，，在施加轴向载荷及转矩加载的条件下，进一步施加转矩负载，进一步提高模拟运行的真实性。
下面结合具体的实施例对所提供的大型风电机组偏航***的加载试验台和试验方法进行说明。
在一个具体实施中，偏航***试验台由轴向加载***和转矩加载***组成。因为液压加载能产生较大的荷载，试验操作安全便，特别合适大型结构，在同等输出功率的条件下，液压加载装置体积小、重量轻。而本设计需要给风电机组的偏航轴承加负载，其结构较大，所需加载的压力值较大，所以其加载装置选择液压加载方式。轴承的加载选用单柱式液压机，故偏航轴承的轴向载荷加载***选用单柱式液压机。为了使液压加载装置的压力能够均匀加载在偏航齿轮上，需设计一个负载传递装置。负载传递装置分为外圈部分、内圈部分和连接部分。4台液压机以外圈中心为基准均匀阵列分布在外圈的四周，载荷由液压机产生分布在外圈部分，通过连接部分传递到内圈部分，内圈部分的载荷就可以均匀加载在偏航轴承上。为了使外圈上的载荷传递到内圈上，需设计一个连接部分是外圈与内圈相连，用两块长620mm宽120mm的钢板分别连接外圈与内圈。中间使用弹簧连接上下两块钢板，考虑到连接结构的合理性，每根连接条的弹簧个数设计为3个。液压机固定机架上，以外圈中心为基准均匀阵列分布在四周，内圈完全贴合在偏航轴承的套圈上，外圈与内圈中间通过使用弹簧连接的上下两块钢板相连，弹簧采用垫板固定法固定。
轴向加载***的结构由8个单柱式液压机和负责连接负载的内外圈传递架组成，加载***都将各自所输出的负载传递到偏航轴承上来模拟偏航***在工作状态或暂停状态下所承受各方面的负载。8个减速电机均匀分布在齿圈四周，为了方便转矩加载***的安装和运行，需要设计一个法兰盘将转矩加载电机所输出的转矩传递值偏航轴承。法兰盘与偏航轴承间用螺钉连接。法兰盘与偏航轴承间用螺钉连接，法兰盘的下端设计一个外齿圈与转矩电机输出齿轮啮合。
本发明为一种风电机组偏航***的加载试验台，通过轴向和转矩加载***对风力发电机整体偏航***进行加载试验，考虑不同组件之间的协同作用，能够更加全面和综合客观地评估整个偏航***的性能，发现隐藏的问题或潜在的故障风险。试验台结构简单，可以有效提高测试结果的可靠性和准确性，提高测试效率，缩短测试时间。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (4)
1.一种大型风电机组偏航***的加载试验台，其特征在于：
包括机架（1）、偏航***、轴向加载***和转矩加载***；
所述偏航***包括偏航轴承（2）和多级行星齿轮减速器（7），所述多级行星齿轮减速器（7）的输入轴与偏航轴承（2）的轴承内圈（21）传动连接；
所述轴向加载***包括轴向加载单元和轴向控制器，所述轴向加载单元与轴承外圈（22）连接，通过轴向控制器控制轴向加载单元向轴承外圈（22）施加设定的轴向载荷；
所述转矩加载***包括转矩加载单元（6）和转矩控制器，所述转矩加载单元（6）与轴承内圈（21）传动连接，通过控制转矩加载单元（6）向轴承内圈（21）施加转矩，驱动轴承内圈（21）相对于轴承外圈（22）转动；
所述轴向加载单元包括轴向加载组件（4）和轴向传递组件（3），所述轴向加载组件（4）包括多个并圆周均布的设置在偏航轴承（2）外侧的机架（1）上，各轴向加载组件（4）分别通过单独的轴向传递组件（3）与轴承外圈（22）连接，各轴向加载组件（4）通过轴向传递组件（3）分别向轴承外圈（22）施加轴向力；
各轴向加载组件（4）包括设置在机架上、上下相对布置的上单柱式液压机（41）和下单柱式液压机（42），上单柱式液压机（41）和下单柱式液压机（42）的活动杆分别与轴向传递组件（3）的输入端连接，轴承外圈（22）与轴向传递组件（3）的输出端连接；
所述轴向传递组件（3）包括上板（31）、连接弹簧（32）和下板（33），所述上板（31）和下板（33）间隔布置并且至少前端的间隔距离与轴承外圈（22）的厚度一致，所述连接弹簧（32）包括多个并阵列布置在上板（31）和下板（33）之间；
所述上单柱式液压机（41）的活动杆与上板（31）连接，下单柱式液压机（42）的活动杆与下板（33）连接，所述轴向传递组件的上板（31）与轴承外圈（22）之间设置有上压力传感器、下板（33）与轴承外圈（22）之间设置有下压力传感器，单柱式液压机的控制器根据接收上压力传感器和下压力传感器的压力信号控制两个单柱式压力机动作，调整对轴承外圈（22）的不同周向位置的轴向载荷；将偏航轴承（2）放置于机架（1）中心，多级行星齿轮减速器通过机架（1）上的支撑板支撑，输出轴与轴承内圈（21）传动连接，轴承内圈（21）底部连接法兰盘（5）；
轴向加载***的各轴向加载组件（4）分别通过轴向传递组件（3）与轴承外圈（22）连接；
转矩加载***的各转矩加载单元（6）通过法兰盘（5）与轴承内圈（21）连接；
通过轴向加载***向偏航轴承（2）的轴承外圈（22）施加轴向载荷，通过转矩加载***向偏航轴承（2）的轴承内圈（21）施加驱动转矩；
在驱动偏航轴承（2）转动的过程中，动态设置各轴向加载单元的输出力大小不同，模拟偏航***工作过程中受到动态变化的风向和风力场景。
2.根据权利要求1所述的大型风电机组偏航***的加载试验台，其特征在于：所述转矩加载单元（6）还包括法兰盘（5），所述法兰盘（5）连接在轴承内圈（21）的底侧并圆周均布有外轮齿，所述转矩加载单元（6）的输出端设置有与所述外轮齿配合的外齿轮。
3.根据权利要求2所述的大型风电机组偏航***的加载试验台，其特征在于：所述转矩加载单元（6）包括减速电机，各减速电机与电机控制器控制连接，各减速电机的输出端设置有转矩传感器，电机控制器根据转矩传感器的转矩信息控制减速电机的启停和转速大小。
4.根据权利要求1至3任一项所述的大型风电机组偏航***的加载试验台，其特征在于：还包括转矩负载***，所述转矩负载***包括转矩负载单元和负载控制器，所述转矩负载单元包括多个并沿着偏航轴承（2）圆周均布，所述机架（1）顶部设置有沿径向向内延伸的支撑板，所述多级行星齿轮减速器的壳体固定连接在所述支撑板上，各转矩负载单元分别与多级行星齿轮减速器的输出轴驱动连接，负载控制器与各转矩负载单元控制连接，控制各负载单元的负载。
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