大功率风电齿轮箱试验台的关键问题研究

摘要

随着科学技术的发展,风能作为无污染和可再生的新能源受到越来越多的重视。风力发电行业在过去的几年中飞速发展。我国风电机组总装机容量已达到了世界第一,但风电齿轮箱作为风电机组中的重要传动部件,其国产化率还不高,特别是3兆瓦以上的风电齿轮箱在国内还没有成熟产品。台架试验是齿轮箱研究开发和质量检测的必要手段。对于大功率风电齿轮箱试验台的研究将有助于国内兆瓦级风电齿轮箱的研究开发和产品质量的提高。
　　 为此,本文研究开发了大功率风电齿轮箱试验台,用于6兆瓦以下的风电齿轮箱台架试验。论述了风电机组和风电齿轮箱的基本结构及电功率封闭式的齿轮箱试验台在风电齿轮箱试验台中的应用。在此基础上,利用西门子变频器、电动机、可编程控制器和WINCC监控软件搭建了风电齿轮箱试验台的驱动和加载系统,可实现对风电齿轮箱的驱动和加载,完成风电齿轮箱的各种试验,模拟风电齿轮箱在风力发电时的工作状态。利用M数据采集卡和Labview软件搭建了风电齿轮箱运行状态监控系统,可对试验中的风电齿轮箱进行状态监控、故障诊断和停机保护。利用LMS Imagine.Lab AMESim软件建立了风电齿轮箱试验台传动链的扭转振动模型,分析了其扭转振动特性;得到了其无阻尼扭转振动和有阻尼扭转振动的固有频率和模态振型,以提高试验台系统的加载精度,避免轴系扭转共振。
　　 论文的主要章节和内容如下:
　　 第一章、提出课题研究的背景;综述国内外风力发电的发展现状和发展趋势,风电齿轮箱的研究制造现状和发展趋势,风电齿轮箱试验台的发展现状和趋势;提出本文主要研究内容。
　　 第二章、论述风力发电机组和兆瓦级风电齿轮箱的基本结构;比较几种常用的齿轮箱试验台结构在风电齿轮箱试验台中的应用,从而确定兆瓦级风电齿轮箱试验台的基本结构;论述试验台的机械系统,电气系统和监控系统的组成和主要功能。
　　 第三章、在弹性动力学和多体动力学基础上,利用LMS Imagine.Lab AMESim软件建立了基于电功率封闭式结构和两级行星轮系加一级平行轮系的风电齿轮箱的试验台传动链扭转振动模型,包括无阻尼扭转振动模型、有阻尼扭转振动模型和模拟实际工况的复杂模型;建立了异步电机矢量控制模型。
　　 第四章、利用LMS Imagine.Lab AMESim软件线性分析工具——特征值分析和模态振型分析,对试验台传动链无阻尼扭转振动模型和有阻尼扭转振动模型进行分析,得到各自的固有频率和各阶模态振型。比较连接轴不同刚度情况下无阻尼扭转振动模型固有频率变化情况;按阶跃信号、斜坡函数给定转速和载荷时,连接轴扭矩和转速的变化情况;风电齿轮箱各级齿轮副啮合刚度的不同。
　　 第五章、基于电功率封闭式结构风电齿轮箱试验台,详细介绍本文试验台的主要硬件和软件设计,包括电动机、变频器、可编程控制器、WINCC监控系统、NI数据采集系统、Labview软件系统。
　　 第六章、总结全文,并对今后进一步的研究工作予以展望。