CN101256103A - 兆瓦级风力发电变桨轴承摩擦力矩数控试验机及测试方法 - Google Patents
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Abstract
兆瓦级风力发电变桨轴承摩擦力矩数控试验机及测试方法。被测轴承外圈固定于机架；设一根主轴，一端固定于轴承内圈，另一端装有由径向和轴向加载油缸分别加压的径向和轴向加载机构，设装有扭矩传感器的变频电机，驱动小齿轮与被测轴承内圈啮合，形成加载和传动系统。试验机按受力分析和摸拟加载原理确定，合理可靠，且结构简单、尺寸小。由工业计算机、液压控制元件、油缸、返馈元件等构成的闭环数控系统，实现全程监控、采集数据、分析、处理后，以数字和图形双重输出；所加载荷大小、方向、变化周期准确，输出加载和摩擦力矩曲线直观，测试过程自动化程度高。也可手动配合调节。任一处有故障均自动显示停机。为轴承上风电机组提供数据支持，确保装机后满足测试要求。
Description
(一)技术领域：
本发明涉及大容量风力发电变桨轴承摩擦力矩试验机及测试方法，属转矩测试类(G01L)和结构部件测试类(G01M)。
(二)背景技术：
风力发电作为清洁可再生能源项目，是国务院重点发展的十六个重大技术项目之一，而风力发电机组变桨轴承是风力发电机上的重要部件，要求承载能力大，高的可靠性，测试寿命长达二十年，同时其安装维修条件非常苛刻(高空100多米)。国家立项风力发电机组变桨轴承必须实现国内替代进口，扭转一直依靠进口的局面，国内众多轴承供货商风起云涌纷纷立项研发风力发电变桨轴承项目。而轴承性能及其可靠性多是直接上风力发电机组试用，这样产生的费用和潜在风险都是很大的。国内有厂家曾试制1.5M风力发电变桨轴承试验机一台，但结构复杂、尺寸过长、占地过多，拆装时间达四个多小时，而且主要是以机械测试为核心，其操作不方便，测试结果准确性也有待考虑。基于此，研发先进的兆瓦级风电机组变桨轴承数控试验机是很有必要。
(三)发明内容：
本发明提出的兆瓦级风力发电机组变桨轴承摩擦力矩数控试验机及测试方法，目的之一是通过对兆瓦级风电机组变桨轴承加载后的摩擦力矩测试，为风电机组变桨轴承上风电机组提供数据支持，从而减少安装成本，降低轴承采、供双方风险，确保装机后满足测试要求。目的之二是提供的试验机结构简单、尺寸小、可靠、控制方便、准确。
本发明采用的技术方案如下：
兆瓦级风力发电变桨轴承摩擦力矩数控试验机，包括支撑件、加载系统、传动系统，其特征是
A.被测轴承2，通过轴承外圈2.1固定在设置的支撑件机架1上；
B.所述加载系统如下：设一根主轴4，一端通过连接件3或直接与轴承内圈2.2连接固定，另一端装有由径向加载油缸8加压的径向加载机构5，该处主轴4端头上装有由轴向加载油缸7加压的轴向加载机构6；由此形成液压径向加载系统和液压轴向加载系统；
C.所述传动系统包括驱动变频电机12的变频驱动机构、输出轴12.1上装的扭矩传感器13、输出轴12.1末端装设与被测轴承2内圈2.2上内齿2.3相啮合的小齿轮2.4；
D.设置由工业计算机14.1控制的包括传动系统、液压径向加载系统和液压轴向加载系统的闭环数控系统14。
上述试验机的各配套装置选择的主要技术参数如下：
①驱动变频电机12：功率3.0KW-4P，减速比1/139.47，输出转速0～10rpm；
②径向油缸8：额定工作压力25MPa，输出力0～250吨；
③轴向油缸7：额定工作压力25MPa，输出力0～±20吨；
④径向油缸8动力源液压泵8.1的驱动电动机：功率7.5KW，转速1440r/min；
⑤轴向油缸7动力源液压泵7.1的驱动电动机：功率4.0KW，转速1440r/min；
⑥摩擦力矩T2测试范围：0～5000N.m。
上述试验机具体结构、闭环数控系统、液压系统及测试方法等，在下面结合附图详细说明。
本发明有益效果：
1)本试验机被测轴承和小齿轮等传动件是按风电真实结构制作；加载系统是对风力变桨轴承受力分析后，摸拟加载原理基础上设计的，由此试验机结构型式、传动系统和加载系统选择合理；且只需一根主轴，L0仅选2.5m，结构简单，尺寸小。其受力分析和模拟加载原理如下：
A.变桨轴承受力分析：见图6，变桨轴承的外圈2.1与风电机组的轮毂连接，其内圈2.2与风电机组的桨叶2.6连接，即变桨轴承是桨叶和轮毂之间的旋转连接件，也是实现桨叶的旋转和固定的重要部件。机组运行时，变桨减速电机2.5带动小齿轮2.4和变桨轴承内齿2.3啮合，按照电控系统的设定进行变桨动作，调整桨叶的迎风角度，从而调节风机功率，实现风机运行过程中对风能最大程度的利用，变桨轴承工作时在±55°30′的范围内往复摆动。由此变桨轴承在工作中主要载荷为：风力作用在桨叶上产生的倾覆力矩、径向、轴向分力及桨叶自重产生的轴向载荷(循环拉压作用)。所有载荷都是直接作用在变桨轴承内圈2.2上。图7中：f1是作用在桨叶2.6上的风力(KN)；f2是桨叶的自重(KN)；L是桨叶的长度(m)。
B.本发明模拟加载原理：模拟变桨轴承承受由风力作用在桨叶上产生的倾覆力矩、径向、轴向分力和桨叶自重产生的轴向分力，将30多米长的桨叶力臂缩减为2.5m的主轴4，即在距离被测轴承轴向中心2.5m处设置产生倾覆力矩及径向分力的可调整的径向力油缸8；在主轴的端部安装产生往复运动的轴向力油缸7。图8中F1是径向油缸8的输出力；F2是轴向油缸7的输出力；2.5m是径向力作用点与被测轴承轴向中心的距离L0(见图1)。
2)本发明采用含工业计算机的闭环数控系统。工业计算机实行全程监控、采集数据，以数字和图形双重输出，测试过程自动化程度高。工业计算机闭环控制，也可进行手动调节，以保证所加载荷大小、方向、变化周期能准确达到测试要求。经工业计算机采集、分析、处理的数据准确、可靠，尽量避免了人为因素影响，输出的加载曲线和摩擦力矩曲线相当直观。
3)本装置的故障报警设置完善，各个关键的故障点联锁控制，任何一处有故障报警都会自动停机并显示故障点。
4)液压传动工作平稳，易与电气配合实现自动化。
(四)附图说明：
图1本发明试验机结构总图
图2本发明闭环数控系统和液压系统框图
图3径向加载机构5结构示意图
图4轴向加载机构6结构示意图
图5连锁控制故障报警装置15示意图
图6变桨轴承2和相连的风电机组部分构件示意图
图7变桨轴承2在运行中所受外部载荷力学模型简化图
图8本发明试验机模拟加载的简化力学模型图
(五)具体实施方式：
本发明实施例兆瓦级风电变桨轴承摩擦力矩数控试验机的结构如下：
见图1，用连接件1.1将被测风电变桨轴承2轴承外圈2.1紧固在机架1竖直平板面上。(风电机组变桨轴承2轴承外圈2.1可同时见图6)。机架由两L板固定在底板10上形成。加载系统如下形成：主轴4为空心锥形管，一端是大口径管带法兰盘4.2，用螺钉4.1固定于连接件3，连接件3用螺钉3.1固定在轴承内圈2.2上，主轴4另一端装有由径向加载油缸8加庄液压径向加载机构5，该处主轴4端头装有由轴向加载油缸7加压的轴向加载机构6。径向加载油缸8和轴向加载油缸7通过支架均固定支撑在底板9上。传动系统有驱动变频电机12和减速器组成变频驱动机构，其输出轴12.1上装有扭矩传感器13，输出轴12.1末端装有小齿轮2.4，它与被测轴承2内圈2.2上内齿2.3相啮合(可同时见图6)。机架1开有中心孔以便输出轴12.1安装时穿过。该处设置机械滑台11支撑放置变频电机12等。
见图2，闭环数控系统14如下形成：设工业计算机14.1，其信号端口A1和A2分别接液压控制元件8.2和7.2，这里液压控制元件选为电磁换向阀8.2和7.2，它接收计算机的电信号功率放大后转换为压力、流量等液压信号，两电磁换向阀分别与径向加载油缸8和轴向加载油缸7进液管路连通，控制油缸压力、流量和方向等。见图1、图3，径向加载机构5直接放于径向加载油缸8上，油缸8通过与油缸活塞连接的执行机构8.4向径向加载机构5和主轴4施加径向压力F1。见图1、图4，轴向加载油缸7通过轴向加载机构6向主轴4施加轴向压力F2。见图2，径向和轴向加载机构5和6上装有返馈元件8.3和7.3，其电信号端分别接工业计算机端口B1和B2；返馈元件内包括有检测器(可采用压力传感器)和变换元件，将加载机构5和6所受机械压力F1和F2信号转换为数字电信号返馈到工业计算机14.1。工业计算机信号输出端A3接驱动变频电机12电控电路，扭矩传感器13经返馈电路13.1接工业计算机端口B3。
见图2，液压系统为如下：设分别由电动机带动的液压泵8.1和7.1形成和提供循环压力油，经电磁换向阀8.2和7.2分别控制径向和轴向加载油缸8和7，使之推动活塞作径向或轴向运动。
见图3，径向加载机构5结构如下：设双列调心滚子轴承5.5，其内圈与主轴4通过过盈配合连接，拆卸环5.1和锁紧螺母5.4对其实现轴向固定，端盖5.2与轴套5.3通过螺钉5.6连接后同双列调心滚子轴承5.5外圈连接。径向加载油缸8输出力F1直接加载在轴套5.3上，经双列调心滚子轴承5.5传递并作用在主轴4上。
见图4，轴向加载机构6结构如下：设四点球接触轴承6.9，其内圈与主轴4通过过盈配合连接，拆卸环6.1和锁紧螺母6.7对其实现轴向固定，端盖6.2与轴套6.3通过螺钉6.8连接后同四点球接触轴承6.9外圈连接；连接轴套6.5与轴向加载油缸7通过销轴6.6连接，并设挂钩部件6.4与轴套6.3连接固定。当轴向加载油缸7输出推力F2时，通过连接轴套6.5直接作用在轴套6.3上后再通过四点球接触轴承6.9传递作用在主轴4上；当轴向加载油缸7输出拉力F2时，连接轴套6.5反向作用在挂钩部件6.4上后再通过轴套6.3和四点球接触轴承6.9传递作用在主轴4上。
见图5，设置如下故障报警装置15：分别在轴向和径向加载油缸或加载构件上设含压力传感器的输出力异常报警器15.1和15.2以及在扭矩传感器13上设过载报警器15.3，三个报警器成‘与’组合接入报警灯15.4，以形成故障点联锁控制。由此其中任意一个报警器报警都会引起报警灯动作并自动停机。
见图1、见图2，本发明摩擦力矩数控试验机测试方法，包括如下步骤：①用键盘、鼠标向工业计算机14.1输入径向和轴向油缸压力设定值以及时间参数；②启动液压系统，两油缸工作，进行模拟加载过程；③在显示器上监控主轴4上径向和轴向压力到达设定值；④启动驱动变频电机12，扭矩传感器13工作，工业计算机14.1进行数据处理；⑤进行正常的摩擦力矩T2测试，测试数据曲线由显示器显示和打印机打出。
上述步骤②中，本发明的模拟加载过程如下：见图1、图3和图4，轴向加载油缸7输出力作用在轴向加载机构6上，通过主轴4及连接板3对被测轴承2产生轴向推、拉载荷(推、拉变化周期可调，力大小可调)；径向加载油缸8输出力作用在径向加载机构5上，通过主轴4及连接板3，对被测轴承2产生倾覆力矩和径向载荷效果(加载力的大小及作用时间均可调节)。
上述步骤④和⑤中，本发明的数据处理和摩擦力矩T2测试过程如下：见图1、图2，扭矩传感器13测试采集到的驱动力矩值T1输入工业计算机14.1，同时工业计算机将同步采集到的径向和轴向加载油缸的压力值，按照一定的程序进行分析，在显示器14.2上直接显示被测轴承2的加载曲线和摩擦力矩曲线，并可根据需要通过打印机14.3输出要求的曲线图形。
上述被测试摩擦力矩T2用如下方式获得：通过设置在小齿轮2.4前端的扭矩传感器13测得被测轴承2转动所需的驱动力矩值T1，则被测轴承摩擦力矩T2与T1成一线性比例关系。假如小齿轮的齿数Z1、转速n1，被测轴承内齿的齿数Z2、转速n2，则T1*n1＝T2*n2，而Z1/Z2＝n2/n1，所以T2/T1＝Z2/Z1。因此，只要准确地测得驱动力矩值T1，被测轴承的摩擦力矩T2也就得出。
Claims (7)
1.兆瓦级风力发电变桨轴承摩擦力矩数控试验机，包括支撑件、加载系统、传动系统，其特征是
A.被测轴承(2)，通过轴承外圈(2.1)固定在设置的支撑件机架(1)上；
B.所述加载系统如下：设一根主轴(4)，一端通过连接件(3)或直接与轴承内圈(2.2)连接固定，另一端装有由径向加载油缸(8)加压的径向加载机构(5)，该处主轴(4)端头装有由轴向加载油缸(7)加压的轴向加载机构(6)；由此形成液压径向加载系统和液压轴向加载系统；
C.所述传动系统包括驱动变频电机(12)的变频驱动机构、变频电机输出轴(12.1)上装的扭矩传感器(13)、输出轴(12.1)末端装与被测轴承内圈(2.2)上内齿(2.3)相啮合的小齿轮(24)；
D.设置由工业计算机(14.1)控制的包括传动系统、液压径向加载系统和液压轴向加载系统的闭环数控系统(14)。
2.按权利要求1所述数控试验机，其特征是加载系统中，径向力作用点与被测轴承轴向中心的距离L0取为2.5m。
3.按权利要求1所述数控试验机，其特征是该试验机主要技术参数如下：
①驱动变频电机(12)；功率3.0KW-4P，减速比1/139.47，输出转速0～10rpm；
②径向油缸(8)：额定工作压力25MPa，输出力0～250吨；
③轴向油缸(7)：额定工作压力25MPa，输出力0～±20吨；
④径向油缸(8)动力源液压泵(8.1)的驱动电动机：功率7.5KW，转速1440r/min；
⑤轴向油缸(7)动力源液压泵(7.1)的驱动电动机：功率4.0KW，转速1440r/min；
⑥摩擦力矩T2测试范围：0～5000N.m。
4.按权利要求1所述数控试验机，其特征是闭环数控系统(14)有如下部分：
①工业计算机信号端口A1和A2分别接液压控制元件(8.2)和(7.2)，液压控制元件的液压信号输出口分别与径向加载油缸(8)和轴向加载油缸(7)连通，两油缸分别与径向加载机构(5)和轴向加载机构(6)加压连接，两加载机构上分别装返馈元件(8.3)和(7.3)，两返馈元件电信号端分别接工业计算机端口B1和B2；②工业计算机信号端口A3接驱动变频电机(12)、扭矩传感器(13)，并经返馈电路(13.1)接工业计算机端口B3。
5.按权利要求1或4所述数控试验机，其特征是闭环数控系统(14)内设有与工业计算机相配合的显示器(14.2)和打印机(14.3)。
6.按权利要求1所述数控试验机，其特征是设置如下的故障报警装置(15)：分别在轴向和径向加载油缸或加载构件上设含压力传感器的输出力异常报警器(15.1)和(15.2)以及在扭矩传感器(13)上设过载报警器(15.3)，三个报警器成‘与’组合接入报警灯(15.4)，以形成故障点联锁控制。
7.按权利要求1、2、4或5所述摩擦力矩数控试验机的测试方法其特征是该方法包括如下步骤：
①用键盘、鼠标向工业计算机输入径向和轴向油缸压力设定值以及时间参数；②启动液压系统，两油缸工作，进行模拟加载过程；③在显示器上监控主轴上径向和轴向压力到达设定值；④启动驱动变频电机(12)，扭矩传感器(13)工作，工业计算机(14.1)进行数据处理；⑤进行正常的摩擦力矩T2测试，测试数据和曲线由显示器显示和打印机打出。
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