□ 朱成順 □ 郭志偉 □ 張勝文 □ 方喜峰

1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003

2.江蘇科技大學(xué)江蘇省船海機(jī)械裝備先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇鎮(zhèn)江 212003

1 研究背景

大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架高度和風(fēng)輪直徑通常有幾十米甚至上百米，要保證大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)較好的機(jī)械性能和減振效果，振動是首先要解決的問題。大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐指在機(jī)組自身運(yùn)行產(chǎn)生振動及外界環(huán)境影響下產(chǎn)生振動的振源與設(shè)備之間安裝的一組按特定方式排列、具有一定剛度和阻尼匹配特性的橡膠隔振器，主要包括發(fā)電機(jī)、齒輪箱、機(jī)倉罩、輪轂和冷卻系統(tǒng)等用到的橡膠彈性支撐。

使用彈性支撐的主要目的是減小風(fēng)力和機(jī)械運(yùn)行產(chǎn)生的振動對整機(jī)部件造成的損傷，降低機(jī)組工作的風(fēng)險(xiǎn)，延長零部件的使用期限。彈性支撐若發(fā)生故障，會導(dǎo)致齒輪箱整體位移過大、發(fā)電機(jī)法蘭盤變形、聯(lián)軸器斷裂、高速剎車盤損壞等嚴(yán)重機(jī)械故障，并導(dǎo)致停機(jī)。因此，研究大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐，可以提高大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的減振效果和控制傳動軸系對中性能，減小機(jī)械運(yùn)行產(chǎn)生的振動對整機(jī)部件造成的損傷，延長被支撐重要部件的使用壽命?？梢?，研究具有重要意義。圖1所示為大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組典型彈性支撐。

筆者梳理了國內(nèi)外大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了彈性支撐在風(fēng)力發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，并結(jié)合彈性支撐制造業(yè)的特點(diǎn)，給出技術(shù)發(fā)展建議。希望筆者的研究可以指明大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐的設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展方向，明確研究目的，促進(jìn)彈性支撐在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

2 靜態(tài)特性

Miller［1］使用專用拉伸和剪切設(shè)備，建立了比較完善的測試標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)而對橡膠隔振器的靜態(tài)特性進(jìn)行大量研究，達(dá)到了很好的效果。Sasso、Meunier等［2-3］對橡膠材料超彈性模型和靜態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了擬合，并利用擬合得到的材料模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，對材料超彈性本構(gòu)模型進(jìn)行了相關(guān)研究。束立紅等［4-5］基于原有本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究，采用 ABAQUS有限元分析軟件，模擬分析了一種聚氨酯隔振器的三維靜態(tài)特性，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了本構(gòu)模型的可行性，這一方法為其它類型隔振器本構(gòu)關(guān)系的建立提供了一定的參考。

▲圖1 大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組典型彈性支撐

在靜態(tài)特性計(jì)算方面，Hill［6］利用解析法對橡膠隔振器的靜態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算預(yù)測，但這一方法只能計(jì)算一些結(jié)構(gòu)的簡單模型，具有局限性。Wang Lirong等［7］使用超彈性橡膠本構(gòu)模型計(jì)算橡膠的靜態(tài)特性，但所選用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)只能分析單一受力狀況下橡膠隔振器的靜剛度，不能全面分析力學(xué)特性。王文濤、張平等［8-9］對橡膠試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到了橡膠試件在不同受力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，并利用擬合得到的本構(gòu)模型參數(shù)對橡膠隔振器的靜態(tài)特性進(jìn)行了計(jì)算和研究。周宏慧等［10］將理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合，對橡膠制品組合件的靜態(tài)性能進(jìn)行研究和分析，提出了組合橡膠件的靜剛度計(jì)算方法，并通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱彈性支撐驗(yàn)證了這一方法的合理性。陳蓮等［11］利用數(shù)值分析的方法，對橡膠隔振器特性的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了所建數(shù)學(xué)模型的實(shí)用性與有限元計(jì)算方法的有效性。楊俊鳳等［12-13］研究了配合劑對橡膠減振器動靜比和蠕變的影響。成佳麗［14］采用雙參數(shù)Mooney-Rivlin模型對橡膠隔振器的靜態(tài)性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并通過試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了這一方法的可行性。

彈性支撐的靜態(tài)特性影響自身使用壽命，主要技術(shù)指標(biāo)為三向靜剛度。國內(nèi)外在橡膠材料超彈性本構(gòu)模型和相關(guān)參數(shù)的試驗(yàn)獲取方法、彈性支撐的靜態(tài)特性計(jì)算及分析方法方面有大量研究，對各種超彈性模型有相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，但對于這些研究在大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，以及不同載荷狀態(tài)下的靜態(tài)特性預(yù)測，尚未進(jìn)行系統(tǒng)探討。

3 動態(tài)特性

Lang Z Q等［15］經(jīng)過試驗(yàn)研究，明確了橡膠材料阻尼性能與單自由度減振系統(tǒng)之間的關(guān)系。Rao M D等［16］使用電動液壓制動器與振動器激勵對汽車排氣隔振器的動態(tài)剛度和阻尼性能進(jìn)行了相關(guān)研究。Tarrago等［17］通過對橡膠襯套的動態(tài)性能進(jìn)行試驗(yàn)，研究了頻率與振幅在軸向和徑向的相關(guān)性。

在動態(tài)特性預(yù)測方面，潘孝勇等［18］采用模型疊加方法，建立了橡膠隔振器動態(tài)特性的彈性-黏彈性-彈塑性模型，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了這一方法的可行性，可用于橡膠隔振器動態(tài)特性的預(yù)測。Guo Xiaoyan等［19］采用模型疊加法，對橡膠隔振器的動態(tài)特性進(jìn)行分析計(jì)算，所提出的模型能很好地預(yù)測橡膠隔振器的幅度和頻率。

為了探討相關(guān)因素對橡膠隔振器動態(tài)性能的影響，目前也有一些研究。丁智平等［20］基于正交試驗(yàn)和復(fù)剛度理論，研究了載荷幅值、載荷頻率和預(yù)壓載荷對風(fēng)力發(fā)電機(jī)橡膠彈性支座動態(tài)性能的影響，為大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐的工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。王文杰等［21］以船舶橡膠隔振器為研究對象，對橡膠隔振器的靜態(tài)和動態(tài)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了影響靜動態(tài)特性的相關(guān)因素。Han Debao［22］研究了不同溫度、振幅和頻率對橡膠隔振器動態(tài)特性的影響。林松等［23］以橡膠隔振器為研究對象，采用Mooney-Rivlin模型對隔振器進(jìn)行了動態(tài)特性試驗(yàn)研究和本構(gòu)研究，研究表明，在低幅值下橡膠隔振器的動態(tài)特性有較強(qiáng)的非線性。劉山尖等［24］以BE系列橡膠減振器為對象，對減振器靜態(tài)剛度特性和動態(tài)剛度特性進(jìn)行研究，得到了判斷橡膠減振器剛度與硬度失效的依據(jù)。

大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐的動態(tài)特性影響隔振系統(tǒng)的減振性能，主要隨激勵頻率與振幅、預(yù)加載荷和環(huán)境溫度的變化而變化。由于橡膠材料的非線性，國內(nèi)外對彈性支撐動態(tài)特性的理論計(jì)算相對較少，研究主要以試驗(yàn)為主。企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，通常利用試驗(yàn)設(shè)備對產(chǎn)品樣品的動態(tài)特性進(jìn)行測試，而普遍忽視靜態(tài)特性的影響。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

龔積球等［25］推導(dǎo)了錐形橡膠套的剛度計(jì)算公式，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)彈性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。吳恒亮等［26］根據(jù)有限元法提出了橡膠隔振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開發(fā)流程，并通過實(shí)例進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。魏松等［27］提出了一種橡膠隔振器的設(shè)計(jì)開發(fā)方法，并給出應(yīng)用實(shí)例，可以提高橡膠隔振器的開發(fā)效率。陳永輝等［28］利用推導(dǎo)出的公式對給定剛度的橡膠隔振器進(jìn)行參數(shù)逆向設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元計(jì)算驗(yàn)證，在彈性支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出了一種新思路。第海龍等［29］利用田口設(shè)計(jì)方法對某車用橡膠減振器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了這一方法的可行性，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了借鑒。

結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐的具體實(shí)例，國內(nèi)設(shè)計(jì)人員也進(jìn)行了相關(guān)研究。程榮［30］分析了影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)彈性支撐性能的因素，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供指導(dǎo)。肖相梅等［31］基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱彈性支撐剛度和固有頻率的分析，對彈性支撐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。胡偉輝等［32］介紹了三點(diǎn)支撐式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用軸瓦式齒輪箱減振器的載荷計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及剛度計(jì)算方法，提出了橡膠層分配依據(jù)等應(yīng)變的設(shè)計(jì)思想。以上研究主要局限于小功率或某一方面的設(shè)計(jì)，對大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐的完整設(shè)計(jì)流程研究甚少。相較國內(nèi)，國外在這一方面的技術(shù)研究已相當(dāng)成熟，但由于技術(shù)的封鎖，可查閱的資料較少。費(fèi)朗茨·米奇［33］發(fā)明了可水平和豎直調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)彈性支撐。Ravari等［34］在新的邊界條件下分析了不同幾何參數(shù)疊層橡膠支座的水平剛度。Mankovits等［35］基于有限元法對橡膠零件進(jìn)行優(yōu)化，為橡膠件的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新的解決方案。Lu Min［36］以動力總成懸置為對象，在橡膠化合物的相位角是恒定的基礎(chǔ)上，提出了一種新的橡膠減振器設(shè)計(jì)思路。

目前，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)還處于以設(shè)計(jì)小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐為主的階段，缺乏研發(fā)、生產(chǎn)大功率風(fēng)電機(jī)組彈性支撐組件的能力，大功率產(chǎn)品仍基本依賴進(jìn)口。相較于國內(nèi)，國外的風(fēng)電企業(yè)在大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，技術(shù)已相對成熟，在大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐的研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面擁有自己獨(dú)立的方法，并在長期的設(shè)計(jì)過程中積累了大量經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品在國際風(fēng)電領(lǐng)域占有很大的比重。

5 有限元分析技術(shù)

周振凱等［37］以橡膠隔振器為研究對象，探討橡膠等不可壓縮材料大變形有限元建模技術(shù)，對不同受載狀態(tài)下的橡膠變形模式和有限元模擬分析所得橡膠試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究。Gil-Negrete等［38］基于頻率和動態(tài)振幅的影響，建立了關(guān)于橡膠材料的彈性-黏彈性有限元模型。Lee Wan Sul等［39］通過引入Simo黏彈性本構(gòu)模型的線性化和靜態(tài)變形校正因子，建立了橡膠材料的本構(gòu)模型，通過有限元分析計(jì)算和試驗(yàn)對比，驗(yàn)證了這一模型的合理性。胡偉輝等［40］利用有限元分析軟件對大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)減振器進(jìn)行了仿真分析，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析確定了試制產(chǎn)品的硬度要求。程榮等［41］利用有限元軟件對橡膠材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并通過對大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐不同對稱模型進(jìn)行對比分析，研究了其靜態(tài)性能。黃祖宇［42］對橡膠減振器模型進(jìn)行參數(shù)化分析，并利用有限元方法優(yōu)化得到減振器的最優(yōu)外形尺寸。Gent［43］介紹了非線性材料有限元分析方法，并對幾種橡膠配件進(jìn)行了有限元分析。王霄鋒等［44］采用有限元分析方法對動力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行建模及模態(tài)分析，驗(yàn)證了有限元分析方法對橡膠材料分析的可行性。Ramachandran等［45］利用ABAQUS軟件對發(fā)動機(jī)橡膠隔振器進(jìn)行了數(shù)值研究。

彈性支撐有限元分析技術(shù)的突破是關(guān)系到企業(yè)能否自主成功研發(fā)新型彈性支撐的關(guān)鍵，以橡膠減振器的靜態(tài)性能為基準(zhǔn)，可以利用有限元仿真分析對其力學(xué)特性及壽命等進(jìn)行計(jì)算，從而可以大致預(yù)測橡膠減振器的動態(tài)響應(yīng)，節(jié)約了模具投入、制樣檢測驗(yàn)證等大量費(fèi)用，縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)周期。由于非線性材料的復(fù)雜性，目前對于疲勞分析及動態(tài)分析方面的研究不足，這是大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐今后的研究方向。

6 發(fā)展趨勢

6.1 向大功率方向發(fā)展

隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已不能滿足現(xiàn)實(shí)發(fā)電需求，國外的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增多，如5 MW、7 MW等大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已進(jìn)入生產(chǎn)制造階段，10 MW大功率風(fēng)電機(jī)組也制造出了試驗(yàn)樣機(jī)。為了滿足大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的需求，大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐也在不斷研制生產(chǎn)。由此可見，開發(fā)大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐是趨勢。

6.2 向規(guī)范化方向發(fā)展

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)趨于成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐組件的設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)更加成熟，性能評價(jià)體系及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也不斷完善。同時(shí)，為了滿足標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與自動化制造的需求，并保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐必須更加規(guī)范化。

6.3 向多樣化方向發(fā)展

隨著技術(shù)的發(fā)展，彈性支撐向多樣化方向發(fā)展已成為可能，其結(jié)構(gòu)將突破鐵片和橡膠件單一組合的限制，液壓橡膠組合的齒輪箱彈性支撐已投入使用，其它結(jié)構(gòu)的彈性支撐也在研發(fā)中。伴隨著智能制造的發(fā)展，更多的技術(shù)將運(yùn)用到彈性支撐設(shè)計(jì)中，彈性支撐在多樣化方面必將有更多的突破和發(fā)展。

6.4 向長壽命方向發(fā)展

隨著橡膠配方技術(shù)、橡膠加工工藝、彈性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐的使用壽命將會變得更長。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)趨于成熟，對保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行的彈性支撐承載能力和穩(wěn)定性方面要求不斷提高，因此，長壽命設(shè)計(jì)將是大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大趨勢和追求目標(biāo)。

7 有待研究的課題

7.1 動力學(xué)特性研究

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)趨于成熟，單機(jī)功率不斷增大，機(jī)組結(jié)構(gòu)也逐漸大型化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性相對更復(fù)雜。目前，大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐主要以靜剛度性能為準(zhǔn)則進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這樣可以簡化設(shè)計(jì)流程，弊端是很難保證產(chǎn)品承受動載荷時(shí)的工作可靠性。目前，在大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐組件系統(tǒng)變形計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算、減振效果計(jì)算、模態(tài)與振動響應(yīng)分析，以及在試驗(yàn)相關(guān)性研究方面缺乏深入探討，可見，大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐的動力學(xué)特性研究是設(shè)計(jì)中急需解決的問題。

7.2 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化研究

我國雖然是全球風(fēng)電裝機(jī)容量最多的國家和風(fēng)電設(shè)備制造大國，但是由于各方面原因，對大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐的研究尚少，大多是沿用國外的設(shè)計(jì)，這勢必引起齒輪箱、發(fā)電機(jī)與彈性支撐組件不匹配的現(xiàn)象，導(dǎo)致齒輪箱軸和發(fā)電機(jī)軸的同軸度超過標(biāo)準(zhǔn)，而使發(fā)電機(jī)組緊急停機(jī)。更嚴(yán)重的情況是彈性支撐剛度變化率過大，將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐系統(tǒng)固有頻率改變，在使用過程中引發(fā)傳動鏈共振。在共振狀態(tài)下長期運(yùn)行會導(dǎo)致齒輪箱、發(fā)電機(jī)內(nèi)部部件損壞，不僅造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且制約我國風(fēng)電事業(yè)的良性發(fā)展［46］。因此，有必要對彈性支撐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其性能滿足大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作的要求。

7.3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫研究

目前，彈性支撐組件的設(shè)計(jì)缺乏經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)，有必要建立一個(gè)涵蓋大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動參數(shù)、彈性支撐設(shè)計(jì)方法、材料配方及性能參數(shù)、產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制規(guī)程等彈性支撐研發(fā)生產(chǎn)關(guān)鍵要素的數(shù)據(jù)庫，解決當(dāng)前國內(nèi)大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)上存在的問題，為開發(fā)出大功率、高性能彈性支撐組件產(chǎn)品，并建立自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的能力和標(biāo)準(zhǔn)體系提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)保障。

8 結(jié)束語

從動靜態(tài)特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析等方面對大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐設(shè)計(jì)制造技術(shù)進(jìn)行了綜述，剖析了彈性支撐存在的若干問題和發(fā)展趨勢，提出了需要進(jìn)一步研究的課題，可以為從事相關(guān)研究的技術(shù)人員提供參考。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彈性支撐作為隔振系統(tǒng)的重要組成部分，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的減振降噪起著至關(guān)重要的作用。因此，開發(fā)出減振效果好、使用壽命長、各項(xiàng)機(jī)械性能高的大功率高性能彈性支撐產(chǎn)品，達(dá)到或超過國外同等技術(shù)水平，并形成系列化，以及自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的能力和標(biāo)準(zhǔn)體系，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，對解決國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，保障風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的可靠性與使用壽命，跨越國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)重要技術(shù)瓶頸，促進(jìn)國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)的良性發(fā)展具有重要意義。