兆瓦級風力發電變槳軸承摩擦力矩數控試驗機的製作方法

2023-05-06 03:48:31 2

專利名稱：兆瓦級風力發電變槳軸承摩擦力矩數控試驗機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及大容量風力發電變槳軸承摩擦力矩試驗機，
屬轉矩測試類(G01L)和結構部件測試類(G01M)。
(二) 背景技術
風力發電作為清潔可再生能源項目，是國務院重點發展的十六個重大技術 項目之一，而風力發電機組變槳軸承是風力發電機上的重要部件，要求承載 能力大，高的可靠性，測試壽命長達二十年，同時其安裝維修條件非常苛刻
(高空l 0 o多米)。國家立項風力發電機組變槳軸承必須實現國內替代進
口，扭轉一直依靠進口的局面，國內眾多軸承供貨商風起雲湧紛紛立項研發 風力發電變槳軸承項目。而軸承性能及其可靠性多是直接上風力發電機組試
用，這樣產生的費用和潛在風險都是很大的。國內有廠家曾試製1.5M風力發 電變槳軸承試驗機一臺，但結構複雜、尺寸過長、佔地過多，拆裝時間達四個 多小時，而且主要是以機械測試為核心，其操作不方便，測試結果準確性也有待 考慮。基於此，研發先進的兆瓦級風電機組變槳軸承數控試驗機是很有必要。
(三) 發明內容
本實用新型提出的兆瓦級風力發電機組變槳軸承摩擦力矩數控試驗機，目 的之一是通過對兆瓦級風電機組變槳軸承加載後的摩擦力矩測試，為風電機 組變槳軸承上風電機組提供數據支持，從而減少安裝成本，降低軸承採、供 雙方風險，確保裝機後滿足測試要求。目的之二是提供的試驗機結構簡單、尺 寸小、可靠、控制方便、準確。
本實用新型採用的技術方案如下
兆瓦級風力發電變槳軸承摩擦力矩數控試驗機，包括支撐件、加載系統、 傳動系統，其特徵是
A. 被測軸承2，通過軸承外圈2.1固定在設置的支撐件機架1上；
B. 所述加載系統如下設一根主軸4， 一端通過連接件3或直接與軸承內 圈2.2連接固定，另一端裝有由徑向加載油缸8加壓的徑向加載機構5，該處 主軸4端頭上裝有由軸向加載油缸7加壓的軸向加載機構6;由此形成液壓徑 向加載系統和液壓軸向加載系統；
C. 所述傳動系統包括驅動變頻電機12的變頻驅動機構、輸出軸12.1上裝 的扭矩傳感器13、輸出軸12.1末端裝設與被測軸承2內圈2.2上內齒2.3相 嚙合的小齒輪2.4;
D. 設置由工業計算機14.1控制的包括傳動系統、液壓徑向加載系統和液壓 軸向加載系統的閉環數控系統14。
上述試驗機的各配套裝置選擇的主要技術參數如下
① 驅動變頻電機12:功率3.0KW"^P，減速比1/139.47，輸出轉速0 10rpm;
② 徑向油缸8: 額定工作壓力25MPa，輸出力0 250噸；
③ 軸向油缸7: 額定工作壓力25MPa，輸出力0 士20噸；
④ 徑向艦8動力Wra8.1 鵬7JKW，繊l術min; ,向油缸7動力源ffi^7.1 功率4服W,繊l術min; ⑥摩擦力矩T2測試範圍0 5000N.m。
上述試驗機具體結構、閉環數控系統、液壓系統等,在
以下結合附圖詳細 說明。
本實用新型有益效果
1) 本試驗機被測軸承和小齒輪等傳動件是按風電真實結構製作；加載系 統是對風力變槳軸承受力分析後，摸擬加載原理基礎上設計的，由此試驗機 結構型式、傳動系統和加載系統選擇合理；且只需一根主軸，Lo僅選2.5m, 結構簡單，尺寸小。其受力分析和模擬加載原理如下
A. 變槳軸承受力分析見圖6，變槳軸承的外圈2.1與風電機組的輪轂連接， 其內圈2.2與風電機組的槳葉2.6連接，即變槳軸承是槳葉和輪轂之間的旋轉 連接件，也是實現槳葉的旋轉和固定的重要部件。機組運行時，變槳減速電 機2.5帶動小齒輪2.4和變槳軸承內齒2.3嚙合，按照電控系統的設定進行變 槳動作，調整槳葉的迎風角度，從而調節風機功率，實現風機運行過程中對 風能最大程度的利用，變槳軸承工作時在±55° 30'的範圍內往復擺動。由 此變槳軸承在工作中主要載荷為風力作用在槳葉上產生的傾覆力矩、徑向、 軸向分力及槳葉自重產生的軸向載荷(循環拉壓作用)。所有載荷都是直接作 用在變槳軸承內圈2，2上。圖7中fl是作用在槳葉2.6上的風力(KN); f2是 槳葉的自重(KN); L是槳葉的長度(邁)。
B. 模擬加載原理模擬變槳軸承承受由風力作用在槳葉上產生的傾覆力矩、 徑向、軸向分力和槳葉自重產生的軸向分力，將30多米長的槳葉力臂縮減為 2.5m的主軸4，即在距離被測軸承軸向中心2.5m處設置產生傾覆力矩及徑向分 力的可調整的徑向力油缸8;在主軸的端部安裝產生往復運動的軸向力油缸7。 圖8中Fl是徑向油缸8的輸出力；F2是軸向油缸7的輸出力；2.5m是徑向力 作用點與被測軸承軸向中心的距離Lo(見圖1)。
2) 釆用含工業計算機的閉環數控系統。工業計算機實行全程監控、採集數 據，以數字和圖形雙重輸出，測試過程自動化程度高。工業計算機閉環控制， 也可進行手動調節，以保證所加載荷大小、方向、變化周期能準確達到測試 要求。經工業計算機採集、分析、處理的數據準確、可靠，儘量避免了人為 因素影響，輸出的加載曲線和摩擦力矩曲線相當直觀。
3) 本裝置的故障報警設置完善，各個關鍵的故障點聯鎖控制，任何一處 有故障報警都會自動停機並顯示故障點。
4) 液壓傳動工作平穩，易與電氣配合實現自動化。


圖l本實用新型試驗機結構總圖 圖2本實用新型閉環數控系統和液壓系統框圖
圖3徑向加載機構5結構示意圖
圖4軸向加載機構6結構示意圖
圖5連鎖控制故障報警裝置15示意圖
圖6變槳軸承2和相連的風電機組部分構件示意圖
圖7變槳軸承2在運行中所受外部載荷力學模型簡化圖
圖8本實用新型試驗機模擬加載的簡化力學模型圖
具體實施方式
本實施例兆瓦級風電變槳軸承摩擦力矩數控試驗機的結構如下
見圖l，用連接件1.1將被測風電變槳軸承2軸承外圈2.1緊固在機架1豎 直平板面上。(風電機組變槳軸承2軸承外圈2.1可同時見圖6)。機架由兩L 板固定在底板10上形成。加載系統如下形成主軸4為空心錐形管， 一端是 大口徑管帶法蘭盤4.2，用螺釘4.1固定於連接件3，連接件3用螺釘3.1固定 在軸承內圈2.2上，主軸4另一端裝有由徑向加載油缸8加壓的液壓徑向加載 機構5，該處主軸4端頭裝有由軸向加載油缸7加壓的軸向加載機構6。徑向 加載油缸8和軸向加載油缸7通過支架均固定支撐在底板9上。傳動系統有 驅動變頻電機U和減速器組成變頻驅動機構，其輸出軸12.1上裝有扭矩傳感 器13，輸出軸12.1末端裝有小齒輪2.4,它與被測軸承2內圈2.2上內齒2.3 相嚙合(可同時見圖6)。機架1開有中心孔以便輸出軸12.1安裝時穿過。該處 設置機械滑臺11支撐放置變頻電機12等。
見圖2,閉環數控系統14如下形成:設工業計算機14.1，其信號埠 Ai 和A2分別接液壓控制元件8.2和7.2，這裡液壓控制元件選為電磁換向閥8.2 和7.2,它接收計算機的電信號功率放大後轉換為壓力、流量等液壓信號，兩 電磁換向閥分別與徑向加載油缸8和軸向加載油缸7進液管路連通，控制油缸 壓力、流量和方向等。見圖l、圖3，徑向加載機構5直接放於徑向加載油缸 8上，油缸8通過與油缸活塞連接的執行機構8.4向徑向加載機構5和主軸4 施加徑向壓力Fi。見圖1、圖4，軸向加載油缸7通過軸向加載機構6向主軸4 施加軸向壓力F2。見圖2，徑向和軸向加載機構5和6上裝有返饋元件8.3和 7.3，其電信號端分別接工業計算機埠 Bi和B2;返饋元件內包括有檢測器 (可採用壓力傳感器)和變換元件，將加載機構5和6所受機械壓力Fi和F2信 號轉換為數字電信號返饋到工業計算機14.1 。工業計算機信號輸出端A3接驅 動變頻電機12電控電路，扭矩傳感器B經返饋電路13.1接工業計算^l埠 B3。
見圖2,液壓系統為如下:設分別由電動機帶動的液壓泵8.1和7.1形成和 提供循環壓力油，經電磁換向閥8.2和7.2分別控制徑向和軸向加載油缸8和 7，使之推動活塞作徑向或軸向運動。
見圖3，徑向加載機構5結構如下:設雙列調心滾子軸承5.5，其內圈與主軸4 通過過盈配合連接，拆卸環5.1和鎖緊螺母5.4對其實現軸向固定，端蓋5.2與軸套 53通過螺釘5.6連接後同雙列調心滾子軸承5.5外圈連接。徑向加載油缸8輸出 力Fl直接加載在軸套5.3上，經雙列調心滾子軸承5.5傳遞並作用在主軸4上。
見圖4，軸向加載機構6結構如下:設四點球接觸軸承6.9，其內圈與主軸4 通過過盈配合連接，拆卸環6.1和鎖緊螺母6.7對其實現軸向固定,端蓋6.2與 軸套6.3通過螺釘6.8連接後同四點球接觸軸承6.9外圈連接;連接軸套6.5與 軸向加載油缸7通過銷軸6.6連接，並設掛鈎部件6.4與軸套6.3連接固定。 當軸向加載油缸7輸出推力F2時，通過連接軸套6.5直接作用在軸套6.3上 後再通過四點球接觸軸承6.9傳遞作用在主軸4上；當軸向加載油缸7輸出拉 力F2時，連接軸套6.5反向作用在掛鈎部件6.4上後再通過軸套6.3和四點球 接觸軸承6.9傳遞作用在主軸4上。
見圖5，設置如下故障報警裝置15:分別在軸向和徑向加載油缸或加載構件 上設含壓力傳感器的輸出力異常報警器15.1和15.2以及在扭矩傳感器13上設 過載報警器15.3，三個報警器成 <與'組合接入報警燈15.4,以形成故障點聯 鎖控制。由此其中任意一個報警器報警都會引起報警燈動作並自動停機。
見圖1、見圖2,本實用新型摩擦力矩數控試驗機測試過程包括如下步驟: ①用鍵盤、滑鼠向工業計算機14.1輸入徑向和軸向油缸壓力設定值以及時間 參數；②啟動液壓系統，兩油缸工作，進行模擬加載過程；③在顯示器上監控 主軸4上徑向和軸向壓力到達設定值； 啟動驅動變頻電機12,扭矩傳感器 13工作，工業計算機14.1進行數據處理；⑤進行正常的摩擦力矩T2測試，測 試數據曲線由顯示器顯示和印表機打出。
上述步驟②中，模擬加載過程如下見圖l、圖3和圖4，軸向加載油缸7 輸出力作用在軸向加載機構6上，通過主軸4及連接板3對被測軸承2產生 軸向推、拉載荷(推、拉變化周期可調，力大小可調)；徑向加載油缸8輸出力 作用在徑向加載機構5上，通過主軸4及連接板3，對被測軸承2產生傾覆 力矩和徑向載荷效果(加載力的大小及作用時間:^可調節)。
上述步驟④和⑤中，數據處理和摩擦力矩T2測試過程如下見圖l、圖2， 扭矩傳感器13測試採集到的驅動力矩值Ti輸入工業計算機14.1,同時工業 計算機將同步採集到的徑向和軸向加載油缸的壓力值，按照一定的程序進行 分析，在顯示器14.2上直接顯示被測軸承2的加載曲線和摩擦力矩曲線，並可 根據需要通過印表機14.3輸出要求的曲線圖形。
上述被測試摩擦力矩T2用如下方式獲得通過設置在小齒輪2.4前端的扭矩 傳感器13測得被測軸承2轉動所需的驅動力矩值Ti，則被測軸承摩擦力矩T2與 Tl成一線性比例關係。假如小齒輪的齒數Zi、轉速ni，被測軸承內齒的齒數
Z2、轉速n2,貝ijT^ni-T2豐n2，而zi/Z2-n2/m，所以T2/Ti-Z2/Zi。因此，
只要準確地測得驅動力矩值Tl ，被測軸承的摩擦力矩T2也,就得出。
權利要求1.兆瓦級風力發電變槳軸承摩擦力矩數控試驗機，包括支撐件、加載系統、傳動系統，其特徵是A.被測軸承(2)，通過軸承外圈(2.1)固定在設置的支撐件機架(1)上；B.所述加載系統如下設一根主軸(4)，一端通過連接件(3)或直接與軸承內圈(2.2)連接固定，另一端裝有由徑向加載油缸(8)加壓的徑向加載機構(5)，該處主軸(4)端頭裝有由軸向加載油缸(7)加壓的軸向加載機構(6)；由此形成液壓徑向加載系統和液壓軸向加載系統；C.所述傳動系統包括驅動變頻電機(12)的變頻驅動機構、變頻電機輸出軸(12.1)上裝的扭矩傳感器(13)、輸出軸(12.1)末端裝與被測軸承內圈(2.2)上內齒(2.3)相嚙合的小齒輪(2.4)；D.設置由工業計算機(14.1)控制的包括傳動系統、液壓徑向加載系統和液壓軸向加載系統的閉環數控系統(14)。
2. 按權利要求1所述數控試驗機，其特徵是加載系統中，徑向力作用點與 被測軸承軸向中心的距離L0取為2.5 m。
3. 按權利要求1所述數控試驗機，其特徵是該試驗機主要技術參數如下① 驅動變頻電機(12):功率3.0KW-4P,減速比1/139.47,輸出轉速0 10rpm;② 徑向油缸(8): 額定工作壓力25MPa，輸出力0 250噸；③ 軸向油缸(7): 額定工作壓力25MPa，輸出力0 土20噸；④ 徑向油缸(8)動力源液壓泵(8.1)的驅動電動機功率7.5KW ，轉速 1440 r/min;⑤ 軸向油缸(7)動力源液壓泵(7.1)的驅動電動機功率4.0KW ，轉速 1440 r/minj⑥ 摩擦力矩T2測試範圍0 5000N.m。
4. 按權利要求1所述數控試驗機，其特徵是閉環數控系統(14)有如下部分 ①工業計算機信號埠 Al和A2分別接液壓控制元件(8,2)和(7.2),液壓控制元件的液壓信號輸出口分別與徑向加載油缸(8)和軸向加載油缸(7)連通，兩 油缸分別與徑向加載機構(5)和軸向加載機構(6)加壓連接，兩加載機構上分別 裝返饋元件(8.3)和(7.3)，兩返饋元件電信號端分別接工業計算機埠B1和B2; ②工業計算機信號埠 A3接驅動變頻電機(12)、扭矩傳感器(13)，並經返饋 電路(13.1)接工業計算機埠 B3。
5. 按權利要求1或4所述數控試驗機，其特徵是閉環數控系統(14)內設有 與工業計算機相配合的顯示器(14.2)和印表機(14.3)。
6. 按權利要求1所述數控試驗機，其特徵是設置如下的故障報警裝置(15): 分別在軸向和徑向加載油缸或加載構件上設含壓力傳感器的輸出力異常報 警器(15.1)和(15.2)以及在扭矩傳感器(13)上設過載報警器(15.3)，三個報警器 成'與'組合接入報警燈(15.4),以形成故障點聯鎖控制。
專利摘要兆瓦級風力發電變槳軸承摩擦力矩數控試驗機。被測軸承外圈固定於機架；設一根主軸，一端固定於軸承內圈，另一端裝有由徑向和軸向加載油缸分別加壓的徑向和軸向加載機構，設裝有扭矩傳感器的變頻電機，驅動小齒輪與被測軸承內圈嚙合，形成加載和傳動系統。試驗機按受力分析和摸擬加載原理確定，合理可靠，且結構簡單、尺寸小。由工業計算機、液壓控制元件、油缸、返饋元件等構成的閉環數控系統，實現全程監控、採集數據、分析、處理後，以數字和圖形雙重輸出；所加載荷大小、方向、變化周期準確，輸出加載和摩擦力矩曲線直觀，測試過程自動化程度高。也可手動配合調節。任一處有故障均自動顯示停機。為軸承上風電機組提供數據支持，確保裝機後滿足測試要求。
文檔編號G01M15/00GK201177538SQ20082006223
公開日2009年1月7日 申請日期2008年2月22日 優先權日2008年2月22日
發明者文鑑恆 申請人:文鑑恆