CN115508091A - 一种风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，包括底座、加载组件、驱动装置、旋转装置、适配器、固定装置、控制模块和监测模块。固定装置设置在底座上；旋转装置的一端设有连接待测轴承的连接部；旋转装置的另一端设有齿圈，驱动装置包括壳体，壳体设有轴孔，旋转装置设有轴接部，轴接部可转动的设置在轴孔内，壳体上设有驱动电机，驱动电机的输出端设有与齿圈啮合的驱动齿轮；加载组件包括执行器和控制执行器的控制器。由此，本发明的风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台能够借助旋转装置同时加载风机的轴向力、径向力和倾覆力，实现对轴承的多自由度的仿真测试。

Description

一种风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台

技术领域

本发明涉及风力发电机组轴承测试领域，尤其涉及一种风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台。

背景技术

风力发电作为一种绿色能源，近年来得到了大量的普及和应用，风力发电机组的可靠性关系着投资回报率。

风力发电机组的回转支承主要由内外圈、滚动体、隔离块构成，是风电机组中的重要组成部分，风力发电机组的回转支承在空中受到的力非常复杂，主要包括轴向力Fa、径向力Fr、倾覆力矩M，且存在交变及振动等较复杂受力情况，国内对于风力发电机组的回转支承的寿命计算并没有统一且标准的计算公式。因此针对20年甚至更高设计寿命的风电回转支承，就很有必要建立能够对风电机组进行仿真测试的试验台。现有的轴承性能试验台，大多只能简单的模拟轴向力Fa、径向力Fr、倾覆力矩M的一种，难以将多种受力情况结合起来模拟实际风力发电机组运行状态、改变加载状态等，因此试验结果对研发的改进指导作用有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种风电机组仿真测试试验台，能够同时模拟轴向力Fa、径向力Fr、倾覆力矩M的组合效用，模拟实际风力发电机组的运行状态、改变加载状态情况，为改善风电机组回转支承的结构设计、材料性能和热处理加工工艺提供数据支撑。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，包括：底座、加载组件、驱动装置、旋转装置、轴承承载装置、固定装置、控制模块和监测模块。

所述固定装置设置在所述底座上；

所述轴承承载装置用于承载待测轴承；所述轴承承载装置的一端连接所述固定装置，另一端连接所述旋转装置；

所述旋转装置靠近所述固定装置的一端设有连接待测轴承的连接部；所述旋转装置的另一端设有齿圈，所述齿圈的外周设有齿牙；

所述驱动装置包括壳体，所述壳体设有轴孔，所述旋转装置设有齿圈的一端沿轴向延伸有轴接部，所述轴接部可转动的设置在所述轴孔内，所述壳体上设有驱动电机，所述驱动电机的输出端设有与所述齿圈啮合的驱动齿轮；驱动电机速度可调，可定角度摆动，转速范围为0.1-20rpm，可提供小于等于300KN·m的扭矩。

所述加载组件包括执行器和控制执行器的控制器，所述执行器包括固定设置在底座上的轴向油缸和径向油缸，所述轴向油缸的输出轴沿所述旋转装置的轴线方向延伸，其输出轴的端部抵靠在所述壳体的端部；所述径向油缸的输出轴垂直于所述旋转装置的轴线方向；所述轴向油缸可以提供10000KN轴向交变应力Fa，所述径向油缸可以提供10000KN径向交变应力Fr；

所述控制模块电连接所述驱动电机和所述控制器，用于控制所述驱动电机的转速、转向及运行时间，控制所述执行器的执行；

所述监测模块，所述监测模块包括传感器组件和信号处理模块，传感器组件用于检测待测轴承的状态及其承载的负荷，所述信号处理模块用于对传感器组件监测到的微弱信号进行放大、过滤、模数转换并传输给外界。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

优选地，所述监测模块电连接所述控制模块，所述控制模块根据所述监测模块传递来的待测轴承的状态及其承载的负荷控制所述驱动电机、执行器的启停。

优选地，所述底座上设有滑槽，所述固定装置可沿所述滑槽移动，且通过螺栓固定设置在滑槽的设定位置上。

优选地，还包括辅助支撑，所述辅助支撑设置在所述底座上，用于支撑承载待测轴承的轴承承载装置。

优选地，所述旋转装置设置轴接部的一端的直径小于其靠近固定装置的一端的直径。

优选地，所述旋转装置呈塔式，以适应大尺寸轴承的测试。

优选地，所述滑槽为T型槽。

优选地，所述适配器与风力发电机组的承载件尺寸呈1:1比例。

优选地，所述辅助支撑、固定装置、底座与风力发电机组的承载结构尺寸呈1:1比例。

优选地，所述径向油缸的输出轴的端部固定设置在所述旋转装置靠近所述轴接部的壳体上，提供向下的拉力，提供倾覆力矩M；通过控制径向油缸输出压力变化，提供径向交变应力Fr。

本发明提供的风电机组仿真测试试验台设备，能够模拟实际风力发电机组运行状态，同时模拟轴向力、径向力和倾覆力的混合受力情况，本试验台旋转装置一端设置的待测轴承的连接部可以对接直径0.5-6米的轴承，这一尺寸的轴承所在的风力发电机组的发电功率一般在3-15MW之间，故本试验台可模拟3～15MW风力发电机组的扭矩输入能力，可测试3～15MW风力发电机组的主轴、偏航、变桨各型号的回转支承，通过仿真、等效测试，大大缩短测试周期，达到与实际运行相同的测试效果；通过测试结果和数据，为改善材料性能和热处理加工工艺，提高回转支承综合性能提供数据支撑。

附图说明

图1为本发明的试验台的结构示意图；

图2为本发明的试验台加装了轴承承载装置后的结构示意图；

图3为本发明中驱动装置外部细节结构示意图；

图4为本发明中驱动装置内部细节结构示意图；

图5为本发明中驱动装置靠近连接部一端细节结构示意图；

图6为本发明实施例2中适配器的结构示意图。

附图标记记录如下：

1、底座；11、T型槽；

2、加载组件；211、轴向油缸；212、径向油缸；

3、驱动装置；31、壳体；32、轴孔；33、驱动电机；331、驱动齿轮；

4、旋转装置；41、连接部；42、齿圈；43、轴接部；44、径向静压轴承；45、轴向静压轴承；46、径向滚动轴承；47、支撑座；

5、轴承承载装置；51、外适配器；52、内适配器；

6、固定装置；

9、辅助支撑；

10、待测轴承。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

请参照图1所示，其为本发明的风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台的结构示意图。所述风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台包括底座1、加载组件2，即轴向油缸211和径向油缸212，驱动装置3，旋转装置4，轴承部分，辅助支撑9，固定装置6。

实施例2：

如图2-图6所示，加载组件2包括由执行器控制的四个轴向油缸211和两个径向油缸212，可提供最大10000KN轴向交变应力和10000KN径向交变应力，模拟实际工况；

如图3所示，驱动装置3采用齿轮传动，由多个驱动电机33同时通过精密行星齿轮减速机驱动齿圈42运动，从而带动旋转装置4旋转；具体地，如图4所示，旋转装置4通过两组径向静压轴承44和一组轴向静压轴承45与壳体31连接，具体地，所述旋转装置4靠近所述固定装置6的一端设有连接待测轴承10的连接部41，所述旋转装置4的另一端设有齿圈42，所述齿圈42的外周设有齿牙；所述驱动装置3包括壳体31，所述壳体31设有轴孔32，所述旋转装置4设有齿圈42的一端沿轴向延伸有轴接部43，所述轴接部43通过两组径向静压轴承44可转动的设置在所述轴孔32内，在所述齿圈42与所述壳体31之间还设有一组轴向静压轴承45，所述壳体31上设有驱动电机33，所述驱动电机33的输出端设有与所述齿圈42啮合的驱动齿轮331。

如图5所示，所述旋转装置4设置连接部41一端，靠近连接部41的位置设有径向滚动轴承46，径向滚动轴承46的外周侧设有支撑座47，支撑座47与底座1之间可以设置支撑件进行支撑，也可以用调整油缸代替支撑件实现对支撑座47的支撑，调整油缸可以与径向油缸212一起施加最终的径向力，即径向油缸212的输出轴的端部固定设置在所述旋转装置靠近所述轴接部的壳体上，提供向下的拉力，调整油缸根据实际需要进行细的调整，因为本旋转装置有一个较长的力臂，在前端施加的拉力会有倍增效果，利用调整油缸可以更精准的调整施加到待测轴承10上的力；旋转装置4既能实现回转同时还能单独或同时施加轴向、径向、倾覆力矩。

本例中，轴承承载装置5为如图6所示适配器，包括外适配器51和内适配器52，外适配器51和内适配器52之间通过待测轴承10连接（另一端还有一组待测轴承，图中未体现），适配器根据风力发电机组实际尺寸等比例加工制成，待测轴承10通过高强度螺栓连接适配器，适配器通过高强度螺栓连接旋转装置4和固定装置6；

辅助支撑9用于支撑适配器，其由16Mn 钢板焊接而成，焊后进行580℃高温去应力退火；

底座1由16Mn 钢板焊接而成，焊后进行580℃高温去应力退火。底座1固定于混凝土内，外露部分为T型槽11结构，固定装置6可以在T型槽11内沿长度方向移动，用于调整固定装置6在长度方向的位置，以适应不同尺寸的轴承承载装置5；

固定装置6端面连接适配器，固定装置6用螺栓固定于底座1的T型槽11上。

根据风机实际运行状态，制作结构尺寸与实际运行情况等比例的轴承部分、辅助支撑9、固定装置6，由此，基于与实际运行时相同尺寸的轴承部分、辅助支撑9、固定装置6搭建的试验台，可以模拟待测轴承最真实的使用场景，模拟仿真轴承运行状态，通过加载和驱动模拟仿真轴承运行工况，模拟最终装机后待测轴承承受的风叶的重量、风叶所受风力等的叠加力的情况，实现风机机组轴承仿真试验。

控制模块包括电机控制装置和液压控制装置。

电机控制装置包括变频器及相关控制电路，变频器用来控制电机转速，从而实现不同转速下对被测轴承的信号监测；

液压控制装置主要由控制电路控制各电磁阀的通断、换向及液压马达泵的转速等，实现对加载力的控制及对液压回路的保护；

监测模块包括信号采集装置及信号处理装置，信号采集装置包括温度传感器、压力传感器、转速传感器、振动传感器等，其中温度传感器采用热电阻式传感器，安装时将其插入轴承外圈预留的温度传感器测试孔中，安装位置分布于轴承内圈与承载点成 45°位置处；压力传感器，分布贴于轴承外圈和适配器配合面，用来测量待测轴承外圈的应力应变；转速传感器采用激光转速传感器，布置在转接轴段，用来测量轴承实际转速；振动传感器采用相对式测振仪，通过磁吸式固定在待测轴承10的内圈或外圈上，借助弹簧的弹性力使触杆保持与被测物体表面接触，当物体振动时，触杆就跟随它一起运动，并推动记录笔杆在移动的纸带上描绘出振动物体的位移随时间的变化曲线，根据这个记录曲线可以计算出位移的大小及频率等参数；信号处理装置包括温度变送器、压力变送器等，用于对接收到的温度传感器、压力传感器的微弱信号进行过滤、放大、数模转换成符合标准传输协议的信号，比如HART协议的4-20mA信号，并传输给外界，如控制主机，经控制主机上的软件对数据进行记录，并在计算机显示屏上显示出来。

以某机型主轴承测试为例，详述本设备完整的工作过程如下：

1、试验要求：

等效载荷：径向力：4000kN ，轴向力：2000kN，倾覆力矩 31000kN·m

等效试验转数：300000rev

2、试验过程

测试台安装：

将待测轴承10按照风机安装要求，安装到内适配器52以及外适配器51上；根据轴承承载装置5的尺寸，调整固定装置6沿T型槽11移动到适配的位置，将安装好待测轴承10的轴承承载装置5的内适配器52连接到旋转装置4的连接部41上；将外适配器51连接到辅助支撑9和固定装置6上；至此试验台安装完成。

载荷加载：

通过控制系统启动测试台，通过驱动装置3带动旋转装置4旋转，转速10rpm；加载载荷，不考虑旋转装置4自身的重量，假设径向油缸212至连接部41的距离为10米，调整油缸距离连接部41的距离为1米；则油缸加载载荷为：轴向油缸211加载轴向力2000kN，径向油缸212加载载荷3000kN（向下拉），调整油缸加载载荷1000 kN（向下拉）；径向油缸212实现倾覆力矩为3000kN×10米=30000kN·m，调整油缸实现的倾覆力矩为1000kN×1米=1000 kN·m，径向油缸和调整油缸叠加起来实现31000kN·m的倾覆力矩，至此加载完成，实现预期的轴向力、径向力和倾覆力矩。

疲劳试验：

试验转速10rpm，整个寿命试验时间300000/10/60=500h；至此试验结束。

轴向油缸的端部是滚珠结构，所以即便旋转装置在径向油缸的作用下产生轻微的形变，导致轴向油缸与旋转装置在竖直方向上产生轻微的位移，也不会影响轴向力的施加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，包括：底座，其特征在于，还包括：底座、加载组件、驱动装置、旋转装置、轴承承载装置、固定装置、控制模块和监测模块；

所述固定装置设置在所述底座上；

所述轴承承载装置用于承载待测轴承；所述轴承承载装置的一端连接所述固定装置，另一端连接所述旋转装置；

所述旋转装置靠近所述固定装置的一端设有连接待测轴承的连接部；所述旋转装置的另一端设有齿圈，所述齿圈的外周设有齿牙；

所述驱动装置包括壳体，所述壳体设有轴孔，所述旋转装置设有齿圈的一端沿轴向延伸有轴接部，所述轴接部转动设置在所述轴孔内，所述壳体上设有驱动电机，所述驱动电机的输出端设有与所述齿圈啮合的驱动齿轮；

所述加载组件包括执行器和控制执行器的控制器，所述执行器包括固定设置在底座上的轴向油缸和径向油缸，所述轴向油缸的输出轴沿所述旋转装置的轴线方向延伸，其输出轴的端部抵靠在所述壳体的端部；所述径向油缸的输出轴垂直于所述旋转装置的轴线方向；

所述控制模块电连接所述驱动电机和所述控制器，用于控制所述驱动电机的转速、转向及运行时间，控制所述执行器的执行；

所述监测模块，所述监测模块包括传感器组件和信号处理模块，传感器组件用于检测待测轴承的状态及其承载的负荷，所述信号处理模块用于对传感器组件监测到的微弱信号进行放大、过滤、模数转换并传输给外界。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，其特征在于，所述监测模块电连接所述控制模块，所述控制模块根据所述监测模块传递来的待测轴承的状态及其承载的负荷控制所述驱动电机、执行器的启停。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，其特征在于，所述底座上设有滑槽，所述固定装置可沿所述滑槽移动，且通过螺栓固定设置在所述滑槽的设定位置上。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，其特征在于，还包括辅助支撑，所述辅助支撑设置在所述底座上，用于支撑承载待测轴承的轴承承载装置。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，其特征在于，所述旋转装置设置轴接部的一端的直径小于其靠近固定装置的一端的直径。

6.根据权利要求5所述的风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，其特征在于，所述旋转装置呈塔式。

7.根据权利要求3所述的风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，其特征在于，所述滑槽为T型槽。

8.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，其特征在于，所述轴承承载装置与风力发电机组的承载件尺寸呈1:1比例。

9.根据权利要求4所述的风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，其特征在于，所述辅助支撑、所述固定装置、所述底座与风力发电机组的承载结构尺寸呈1:1比例。

10.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴、偏航、变桨轴承性能测试试验台，其特征在于，所述径向油缸的输出轴的端部固定设置在所述旋转装置靠近所述轴接部的壳体上。

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