汪惠群

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院, 上海 201306)

隨著工業(yè)的發(fā)展，世界各國(guó)面臨著能源枯竭的問(wèn)題，由于可再生能源-風(fēng)能，被認(rèn)為是取代部分不可再生能源的替代品，因此，風(fēng)電行業(yè)在世界各國(guó)迅速發(fā)展[1-2]。我國(guó)自2005年以來(lái)，風(fēng)電開(kāi)發(fā)建設(shè)速度明顯加快，海上風(fēng)電裝機(jī)容量已躍居全球第3[3-4]。

風(fēng)電行業(yè)在迅速的發(fā)展過(guò)程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障問(wèn)題引起了各國(guó)的重視,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障主要集中在風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)。為了解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)的這一質(zhì)量問(wèn)題，主要采取的措施是對(duì)主要零部件進(jìn)行各種載荷工況疲勞試驗(yàn)分析，從而在研發(fā)階段就發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足而進(jìn)行優(yōu)化。風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)分為實(shí)物試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)。實(shí)物試驗(yàn)受到風(fēng)與電網(wǎng)的影響，并且周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴。仿真試驗(yàn)主要采用半實(shí)物仿真和數(shù)字仿真[5]。目前比較流行的是半實(shí)物仿真。半實(shí)物仿真就是在一個(gè)測(cè)試平臺(tái)上，試驗(yàn)的對(duì)象是實(shí)物-風(fēng)電機(jī)組，加載部分是模擬真實(shí)的風(fēng)載荷加載裝置，在循環(huán)加載的工況下,測(cè)試風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件的性能。風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈測(cè)試平臺(tái)就是一個(gè)半實(shí)物仿真試驗(yàn)平臺(tái)。

在設(shè)計(jì)制造風(fēng)電機(jī)組測(cè)試平臺(tái)之前，模擬真實(shí)風(fēng)載荷的加載裝置，需要確定加載方案，完成平臺(tái)設(shè)計(jì)。本文對(duì)1 MW風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模[6]，通過(guò)虛擬樣機(jī)仿真得到在特定的風(fēng)載荷作用下，測(cè)試平臺(tái)加載裝置上的液壓缸的輸出載荷。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)工作原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組加載試驗(yàn)平臺(tái)包括以下4個(gè)部分：風(fēng)電機(jī)組、6自由度加載機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)加載機(jī)構(gòu)(異步電動(dòng)機(jī)+調(diào)速變頻器+減速器+聯(lián)軸器)、加載主軸。6自由度加載機(jī)構(gòu)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制6個(gè)液壓缸作用力，提供除轉(zhuǎn)矩Mx以外其他5個(gè)方向載荷(軸向推力Fx，水平推力Fy，垂直推力Fz，彎矩My，彎矩Mz)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)加載機(jī)構(gòu)提供彎矩Mx。6個(gè)載荷方向如圖1所示。試驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)這兩個(gè)機(jī)構(gòu)向風(fēng)電機(jī)組主軸施加6個(gè)自由度的力和彎矩，以模擬實(shí)際自然風(fēng)載荷對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的作用，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)鏈的動(dòng)靜態(tài)機(jī)械測(cè)試研究。圖2所示為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組加載試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 作用于風(fēng)電機(jī)組輪轂中心處的6個(gè)風(fēng)力

風(fēng)電機(jī)組測(cè)試平臺(tái)的關(guān)鍵在于6自由度加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究。6自由度加載機(jī)構(gòu)通過(guò)使用6個(gè)伺服液壓缸，將載荷作用于動(dòng)平臺(tái)，再傳至加載主軸輪轂處。液壓缸的一端與定平臺(tái)相連，定平臺(tái)固定在平臺(tái)支架上，是靜止的。液壓缸的另一端與動(dòng)平臺(tái)相連，動(dòng)平臺(tái)與加載主軸固接。圖3是德國(guó)亞琛大學(xué)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈測(cè)試平臺(tái)。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組加載試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖3 德國(guó)亞琛大學(xué)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)平臺(tái)

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的虛擬樣機(jī)建模

根據(jù)1 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)加載主軸輪轂處的最大載荷，設(shè)計(jì)選擇電動(dòng)機(jī)、減速器、加載主軸、6自由度加載機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器。在UG軟件中建立1 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)地面測(cè)試平臺(tái)的主要零部件模型[7-9]，將UG軟件中建立的零部件模型，導(dǎo)入ADAMS軟件。在ADAMS軟件中施加各零部件之間的約束，建立1 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)虛擬樣機(jī)模型，如圖4所示。

圖4 1 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)虛擬樣機(jī)模型

2.1 6自由度加載機(jī)構(gòu)的約束

6自由度加載機(jī)構(gòu)由液壓缸缸筒、液壓缸活塞桿、支架、加載盤(pán)組成。液壓缸缸筒與支架之間，加載盤(pán)與液壓缸活塞桿之間，均有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，因此采用球鉸連接。液壓缸活塞桿與液壓缸缸筒之間要實(shí)現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)，采用棱柱副連接。支架與地面采用固定副連接[10-12]。

2.2 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)加載機(jī)構(gòu)的約束

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)加載機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、減速器、萬(wàn)向聯(lián)軸器及底座。電動(dòng)機(jī)、減速器及其底座與地面采用固定副連接。電動(dòng)機(jī)輸出軸與減速器輸入軸采用固定副連接，減速器輸出軸與萬(wàn)向聯(lián)軸器之間采用固定副連接。萬(wàn)向聯(lián)軸器是一個(gè)組件，有4個(gè)構(gòu)件組成，采用兩個(gè)萬(wàn)向副與一個(gè)棱柱副連接。

2.3 測(cè)試平臺(tái)各機(jī)構(gòu)之間的連接約束

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)加載機(jī)構(gòu)的萬(wàn)向軸聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)傳至加載主軸，聯(lián)軸器與加載主軸之間采用固定副連接。6自由度加載機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)將其余5個(gè)自由度的載荷施加至加載主軸輪轂處，加載盤(pán)與加載主軸之間采用固定副連接。加載主軸與風(fēng)電機(jī)主軸之間采用固定副相連。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的虛擬樣機(jī)仿真

風(fēng)力發(fā)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)虛擬樣機(jī)建模是否成功，取決于6自由度加載機(jī)構(gòu)建模是否正確。本文對(duì)測(cè)試平臺(tái)6自由度加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行樣機(jī)仿真分析。

3.1 最大風(fēng)載荷下測(cè)試平臺(tái)虛擬樣機(jī)仿真

3.1.1 液壓缸的作用力仿真 作用于加載主軸輪轂處的風(fēng)載荷有6個(gè)自由度(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx,My，Mz)[13]。6自由度加載機(jī)構(gòu)加載Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，My，Mz5個(gè)載荷。因此，液壓缸的作用力在主軸輪轂處能否獲得預(yù)期的風(fēng)載荷，是需要虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證的。在主軸輪轂處添加最大載荷,如表1所示[14]。仿真時(shí)將液壓缸缸筒與活塞桿的移動(dòng)設(shè)置為0，經(jīng)ADAMS軟件仿真得到6個(gè)液壓缸受到的載荷(見(jiàn)表2)。圖5所示為ADAMS輸出的6個(gè)液壓缸的受力大小，不包括方向，因此都為正值。

表1 1 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸輪轂處的最大載荷

表2 6個(gè)液壓缸的載荷

圖5 6個(gè)液壓缸的受力大小

3.1.2 仿真獲得主軸輪轂處的載荷 將上文獲得的液壓缸作用力，模擬風(fēng)載荷施加于加載機(jī)構(gòu)，加載主軸輪轂處所受的載荷若與表1一致，則說(shuō)明6自由度加載機(jī)構(gòu)模擬預(yù)期的風(fēng)載荷成功，從而證明6自由度加載機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)建模成功。解除液壓缸缸筒與活塞的運(yùn)動(dòng)約束，設(shè)置為可移動(dòng)的狀態(tài)，在6個(gè)液壓缸上施加如表2所示的載荷,將主軸輪轂處的外力撤銷(xiāo)，并使加載主軸固定，測(cè)試主軸輪轂處的受力情況。圖6和圖7所示為樣機(jī)仿真之后，主軸輪轂處測(cè)得的力與彎矩。圖6、圖7中數(shù)據(jù)表明，力、彎矩均與表1一致(Mx除外，Mx由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)加載),說(shuō)明6自由度加載機(jī)構(gòu)建模正確。

圖6 主軸輪轂處所受的力

圖7 主軸輪轂處所受的彎矩

3.2 變化風(fēng)載荷條件下的樣機(jī)仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)6自由度加載機(jī)構(gòu)的建模正確性，運(yùn)用6自由度加載機(jī)構(gòu)模擬復(fù)雜多變的風(fēng)載荷[15]。首先在主軸輪轂處施加Fx=sint單向動(dòng)態(tài)風(fēng)力。通過(guò)虛擬樣機(jī)仿真獲得此時(shí)6個(gè)液壓缸的作用力F缸n=-0.186 6sint(n=1,2,…,6)。然后對(duì)6個(gè)液壓缸分別施加以上的作用力。在主軸輪轂處測(cè)試由6自由度加載機(jī)構(gòu)模擬的風(fēng)力。圖8中虛線(xiàn)是在主軸輪轂處測(cè)得的載荷曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)是Fx=sint單向動(dòng)態(tài)風(fēng)力曲線(xiàn)。兩條曲線(xiàn)重合，證明主軸輪轂處所受的動(dòng)態(tài)風(fēng)載荷與預(yù)期一致。

圖8 Fx=sin t動(dòng)態(tài)風(fēng)力曲線(xiàn)與主軸輪轂處的載荷曲線(xiàn)

4 結(jié) 論

(1) 本文以1 MW風(fēng)電機(jī)組測(cè)試平臺(tái)加載裝置為研究對(duì)象，運(yùn)用ADAMS、UG軟件協(xié)同建模，建立了風(fēng)電機(jī)組測(cè)試平臺(tái)加載裝置虛擬樣機(jī)數(shù)字化模型。

(2) 完成了測(cè)試平臺(tái)6自由度加載機(jī)構(gòu)在最大風(fēng)載荷與動(dòng)態(tài)風(fēng)載荷兩種工況條件下的虛擬樣機(jī)仿真。以上兩個(gè)仿真實(shí)例證明6自由度加載機(jī)構(gòu)加載的風(fēng)載荷與預(yù)期效果一致，說(shuō)明虛擬樣機(jī)建模正確。