兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)主動偏航特性分析

鄂加強(qiáng)　陳燕　李振強(qiáng)　錢承

摘要：針對兆瓦級風(fēng)力機(jī)偏航動作時(shí)劇烈振動問題，本文根據(jù)兆瓦級風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)主動偏航原理，在ADAMS中建立了兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)虛擬樣機(jī)動力學(xué)仿真模型.兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)主動偏航振動分析結(jié)果表明，偏航系統(tǒng)前四階扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率分別為17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz，170.182 3 Hz.動力學(xué)仿真分析結(jié)果表明，主機(jī)架在偏航運(yùn)動的結(jié)束階段存在劇烈的來回振蕩現(xiàn)象，且振動的幅值達(dá)到了0.15 rad，振動衰減的時(shí)間超過了20 s，通過在主機(jī)架上加反饋控制可快速消除兆瓦級風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)來回振蕩現(xiàn)象.

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；偏航系統(tǒng)；主動偏航；固有頻率

中圖分類號：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著世界各國對能源需求的持續(xù)增長與日益嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)，目前兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已成為風(fēng)能利用的主流設(shè)備.當(dāng)風(fēng)速矢量方向發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)能夠快速平穩(wěn)地對準(zhǔn)風(fēng)向，以便風(fēng)輪獲得最大的風(fēng)能.然而在主動偏航系統(tǒng)啟動與剎車過程中，偏航系統(tǒng)的振動對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動噪聲、緊固件的疲勞壽命等方面產(chǎn)生嚴(yán)重的影響.如果其固有頻率接近激勵(lì)頻率，系統(tǒng)將產(chǎn)生共振，則風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中，載荷由于結(jié)構(gòu)共振而被放大，這關(guān)系到整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行.因此有必要對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)的振動特性作深入研究，避免共振的發(fā)生.然而，目前國內(nèi)外對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動的研究主要集中在塔筒和槳葉方面，對偏航系統(tǒng)振動研究還比較少[1-3].文獻(xiàn)[3]對兆瓦級風(fēng)力機(jī)液壓驅(qū)動的偏航系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[4]建立了塔架的扭轉(zhuǎn)振動模型和運(yùn)動方程，引入了摩擦失穩(wěn)因子，得到塔架扭轉(zhuǎn)振動失穩(wěn)的條件.文獻(xiàn)[5]從理論上對塔架進(jìn)行了模態(tài)分析，在機(jī)艙與塔架耦合條件下求解塔架扭轉(zhuǎn)振動的各階固有頻率與振型.文獻(xiàn)[6]對螺栓連接非線性振動特性進(jìn)行研究，將螺栓連接系統(tǒng)簡化為彈簧、阻尼器、質(zhì)量塊的單自由度模型，說明了非線性方程能夠較好地描述螺栓連接的振動特性.

但如何采取有效措施對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)進(jìn)行主動偏航動力學(xué)分析仍然是主動偏航過程兆瓦級風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)性能提高的瓶頸.為此，本文針對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)主動偏航過程振動現(xiàn)象，從動力學(xué)角度研究偏航系統(tǒng)的動力學(xué)機(jī)理，并構(gòu)建合適的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)虛擬樣機(jī)動力學(xué)模型，研究主動偏航過程偏航系統(tǒng)動力學(xué)規(guī)律.

1偏航系統(tǒng)主動偏航動力學(xué)模型

1.1偏航系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，滑動式偏航系統(tǒng)包括機(jī)艙、偏航齒圈、橫向吊桿、壓盤、柱頭螺栓、蝶簧、摩擦片等裝置.偏航齒圈通過高強(qiáng)度螺栓與塔架法蘭固定連接，其外齒與固定在主機(jī)架上的偏航驅(qū)動減速箱輸出軸齒輪相嚙合，橫向吊桿在壓盤、碟簧等定位裝置的作用下夾緊偏航齒圈的內(nèi)圈并且通過高強(qiáng)度螺栓與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙固定連接.

當(dāng)偏航系統(tǒng)啟動工作時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，4個(gè)驅(qū)動電機(jī)同時(shí)啟動，偏航電機(jī)驅(qū)動偏航減速箱帶動主機(jī)架繞偏航大齒圈緩慢旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)；偏航動作結(jié)束需要制動時(shí)，依靠上下及側(cè)部滑動摩擦塊與偏航齒圈產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)艙停止旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，驅(qū)動電機(jī)匹配有偏航制動器，在摩擦力與制動力矩的共同作用下，確保偏航系統(tǒng)不工作時(shí)，機(jī)艙能夠鎖死并保持靜止?fàn)顟B(tài)[7-9].

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，在偏航驅(qū)動減速箱輸出軸齒輪與主機(jī)架之間建立旋轉(zhuǎn)副，偏航齒圈與塔架通過固定副連接，塔架固定在大地上；側(cè)摩擦片與橫向吊桿通過固定副以實(shí)現(xiàn)定位；頂摩擦片通過固定副與摩擦片保持架固定在一起；碟簧用建立在橫向吊桿與底摩擦片處的彈簧模擬，并且在底摩擦片與橫向吊桿之間施加移動副，通過施加運(yùn)動副以實(shí)現(xiàn)偏航電機(jī)驅(qū)動偏航減速箱帶動主機(jī)架及機(jī)艙繞偏航齒圈緩慢轉(zhuǎn)動.

2.1.3添加接觸力

在4個(gè)偏航驅(qū)動減速箱輸出軸齒輪與偏航齒圈嚙合處施加接觸，在6個(gè)側(cè)摩擦片與偏航大齒圈之間定義摩擦力；在30片底摩擦片與偏航大齒圈之間定義接觸力，且靜摩擦系數(shù)為0.3，動摩擦系數(shù)為0.1；頂部摩擦片與偏航齒圈之間分別用襯套代替平面副，并且在頂部摩擦片與偏航齒圈之間添加接觸，通過施加接觸以實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)模型各個(gè)構(gòu)件之間實(shí)現(xiàn)力的傳遞.

2.1.4螺栓的等效

橫向吊桿處的高強(qiáng)度螺栓采用普通螺栓連接，當(dāng)外載荷作用在系統(tǒng)上時(shí)，它依靠連接預(yù)緊后橫向吊桿與主機(jī)架接合面間產(chǎn)生的摩擦力來抵抗橫向外載和轉(zhuǎn)矩，而螺栓的軸向除了承受軸向工作載荷外，還受到預(yù)緊力的作用.在ADAMS里面為了更好地模擬螺栓的連接作用，本文采用襯套來模擬螺栓聯(lián)接.

2.1.5施加外載

在塔架與偏航齒圈結(jié)合面的中間建立一個(gè)屬于主機(jī)架的Marker_1點(diǎn)，在Marker_1點(diǎn)上施加1 432.12 kN的力以及2 599.68 kN·m力矩作為外載.

2.2偏航系統(tǒng)主動偏航動力學(xué)仿真結(jié)果分析

2.2.1動力學(xué)仿真分析

在偏航驅(qū)動減速箱輸出軸齒輪與主機(jī)架之間的旋轉(zhuǎn)副上施加函數(shù)為STEP5（time，2.7， 0.314d， 2.78， 0d ）的速度驅(qū)動，進(jìn)行動力學(xué)仿真分析[10-13].可以得到每個(gè)運(yùn)動副所承受的力，以及構(gòu)件之間的相對位移、相對加速度和相對速度.圖6為塔架與地面之間的固定副在Y軸方向所受的力.

當(dāng)在主機(jī)架上只施加Y軸方向的外載荷時(shí)，此固定副51受的力大小為2.441×106 N，它與虛擬樣機(jī)的各個(gè)部件的總的重力與外載荷之和相等.這說明該虛擬樣機(jī)模型能夠真實(shí)模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)的工作.

2.2.2動態(tài)特性分析

加載ADAMS/Vibration模塊，在偏航驅(qū)動電機(jī)輸出軸齒輪與大齒圈嚙合處定義輸入，在主機(jī)架處定義輸出.對系統(tǒng)進(jìn)行基于模態(tài)的振動響應(yīng)求解，求解系統(tǒng)的固有頻率與振型.在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析和頻響特性分析.

1）模態(tài)分析

計(jì)算完成后，從ADAMS/postprocessor可以得到偏航系統(tǒng)前二階的模態(tài)結(jié)果如圖7～10所示.

從圖7～10和表1中可知，第一階振型為主機(jī)架的橫向一階扭轉(zhuǎn)，固有頻率為17.694 7 Hz；第二階振型為橫向二階扭轉(zhuǎn)，固有頻率為55.816 6 Hz；第三階振型為偏航齒圈的扭轉(zhuǎn)，固有頻率為85.141 2 Hz；第四階偏航齒圈與主機(jī)架都發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，固有頻率為170.182 3 Hz.實(shí)際中影響系統(tǒng)橫向振動的模態(tài)主要是橫向一階與橫向二階模態(tài).

2）頻響特性分析

以主機(jī)架振動角位移為響應(yīng)輸出，通過計(jì)算得到主機(jī)架扭轉(zhuǎn)振動的頻響特性曲線如圖11所示.

從幅頻特性曲線可知，在17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz，170.182 3 Hz范圍附近時(shí)，頻響圖出現(xiàn)了峰值.且在17.694 7 Hz和55.816 6 Hz時(shí)，幅值很大，因此偏航系統(tǒng)在工作時(shí)候，偏航驅(qū)動電機(jī)的頻率要錯(cuò)開這兩個(gè)頻率的范圍，以免共振帶來的危害.而系統(tǒng)的第三階和第四階扭轉(zhuǎn)頻率遠(yuǎn)大于偏航電機(jī)的驅(qū)動頻率，故影響較小.此研究結(jié)果與廠家提供的固有頻率值基本吻合.

3）添加控制后的振動分析

以主機(jī)架y方向的轉(zhuǎn)角為反饋量，以在主機(jī)架上施加的力矩為控制量，定義輸入輸出.在主機(jī)架上創(chuàng)建單分量力矩，初始值為0；建立控制系統(tǒng)的輸入環(huán)節(jié).在主機(jī)架質(zhì)心處建立一個(gè)Marker_186點(diǎn)，坐標(biāo)與主機(jī)架的質(zhì)心坐標(biāo)一致，建立一個(gè)控制輸入.創(chuàng)建比例環(huán)節(jié)，創(chuàng)建比較環(huán)節(jié).然后運(yùn)行仿真，仿真時(shí)間為20 s，步長為0.1.得到主機(jī)架振動角位移控制前后的角度變化圖.

由圖12可知，未加控制之前，主機(jī)架在偏航運(yùn)動的結(jié)束階段存在劇烈的來回振蕩現(xiàn)象，且振動的幅值達(dá)到了0.15 rad，振動衰減的時(shí)間超過了20 s，這種來回振蕩運(yùn)動會給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組疲勞壽命帶來嚴(yán)重的損傷.當(dāng)加了控制后，偏航系統(tǒng)運(yùn)動狀況非常理想，只在剎車后的7.25 s內(nèi)存在較小的抖動，之后機(jī)艙能夠迅速鎖死并保持靜止?fàn)顟B(tài).

3結(jié)論

1）建立了兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)了動力學(xué)仿真分析與振動分析.結(jié)果表明，該虛擬樣機(jī)能夠準(zhǔn)確模擬兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的真實(shí)工作狀況.

2）振動分析結(jié)果表明，偏航系統(tǒng)主要振動方式為扭轉(zhuǎn)振動，且前四階的固有頻率分別為17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz和70.182 3 Hz.

3）通過在主機(jī)架上加反饋控制，偏航系統(tǒng)運(yùn)動狀況非常理想，這有利于消除兆瓦級風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)來回振蕩現(xiàn)象.

參考文獻(xiàn)

[1]劉靜，李郝林，黃德杰. 基于ADAMS/Vibration 的軋輥磨床測量裝置振動特性仿真[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27（12）：29-33.

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[12]高旭，曾國英.螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的振動仿真分析[J].噪聲與振動控制，2010，36 （3）： 38-40.

1）模態(tài)分析

計(jì)算完成后，從ADAMS/postprocessor可以得到偏航系統(tǒng)前二階的模態(tài)結(jié)果如圖7～10所示.

從圖7～10和表1中可知，第一階振型為主機(jī)架的橫向一階扭轉(zhuǎn)，固有頻率為17.694 7 Hz；第二階振型為橫向二階扭轉(zhuǎn)，固有頻率為55.816 6 Hz；第三階振型為偏航齒圈的扭轉(zhuǎn)，固有頻率為85.141 2 Hz；第四階偏航齒圈與主機(jī)架都發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，固有頻率為170.182 3 Hz.實(shí)際中影響系統(tǒng)橫向振動的模態(tài)主要是橫向一階與橫向二階模態(tài).

2）頻響特性分析

以主機(jī)架振動角位移為響應(yīng)輸出，通過計(jì)算得到主機(jī)架扭轉(zhuǎn)振動的頻響特性曲線如圖11所示.

從幅頻特性曲線可知，在17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz，170.182 3 Hz范圍附近時(shí)，頻響圖出現(xiàn)了峰值.且在17.694 7 Hz和55.816 6 Hz時(shí)，幅值很大，因此偏航系統(tǒng)在工作時(shí)候，偏航驅(qū)動電機(jī)的頻率要錯(cuò)開這兩個(gè)頻率的范圍，以免共振帶來的危害.而系統(tǒng)的第三階和第四階扭轉(zhuǎn)頻率遠(yuǎn)大于偏航電機(jī)的驅(qū)動頻率，故影響較小.此研究結(jié)果與廠家提供的固有頻率值基本吻合.

3）添加控制后的振動分析

以主機(jī)架y方向的轉(zhuǎn)角為反饋量，以在主機(jī)架上施加的力矩為控制量，定義輸入輸出.在主機(jī)架上創(chuàng)建單分量力矩，初始值為0；建立控制系統(tǒng)的輸入環(huán)節(jié).在主機(jī)架質(zhì)心處建立一個(gè)Marker_186點(diǎn)，坐標(biāo)與主機(jī)架的質(zhì)心坐標(biāo)一致，建立一個(gè)控制輸入.創(chuàng)建比例環(huán)節(jié)，創(chuàng)建比較環(huán)節(jié).然后運(yùn)行仿真，仿真時(shí)間為20 s，步長為0.1.得到主機(jī)架振動角位移控制前后的角度變化圖.

由圖12可知，未加控制之前，主機(jī)架在偏航運(yùn)動的結(jié)束階段存在劇烈的來回振蕩現(xiàn)象，且振動的幅值達(dá)到了0.15 rad，振動衰減的時(shí)間超過了20 s，這種來回振蕩運(yùn)動會給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組疲勞壽命帶來嚴(yán)重的損傷.當(dāng)加了控制后，偏航系統(tǒng)運(yùn)動狀況非常理想，只在剎車后的7.25 s內(nèi)存在較小的抖動，之后機(jī)艙能夠迅速鎖死并保持靜止?fàn)顟B(tài).

3結(jié)論

1）建立了兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)了動力學(xué)仿真分析與振動分析.結(jié)果表明，該虛擬樣機(jī)能夠準(zhǔn)確模擬兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的真實(shí)工作狀況.

2）振動分析結(jié)果表明，偏航系統(tǒng)主要振動方式為扭轉(zhuǎn)振動，且前四階的固有頻率分別為17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz和70.182 3 Hz.

3）通過在主機(jī)架上加反饋控制，偏航系統(tǒng)運(yùn)動狀況非常理想，這有利于消除兆瓦級風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)來回振蕩現(xiàn)象.

參考文獻(xiàn)

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[9]張鎖懷，張文禮，張青雷. 基于Adams的MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動力學(xué)建模[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（4）：51-57.

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[12]高旭，曾國英.螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的振動仿真分析[J].噪聲與振動控制，2010，36 （3）： 38-40.

1）模態(tài)分析

計(jì)算完成后，從ADAMS/postprocessor可以得到偏航系統(tǒng)前二階的模態(tài)結(jié)果如圖7～10所示.

從圖7～10和表1中可知，第一階振型為主機(jī)架的橫向一階扭轉(zhuǎn)，固有頻率為17.694 7 Hz；第二階振型為橫向二階扭轉(zhuǎn)，固有頻率為55.816 6 Hz；第三階振型為偏航齒圈的扭轉(zhuǎn)，固有頻率為85.141 2 Hz；第四階偏航齒圈與主機(jī)架都發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，固有頻率為170.182 3 Hz.實(shí)際中影響系統(tǒng)橫向振動的模態(tài)主要是橫向一階與橫向二階模態(tài).

2）頻響特性分析

以主機(jī)架振動角位移為響應(yīng)輸出，通過計(jì)算得到主機(jī)架扭轉(zhuǎn)振動的頻響特性曲線如圖11所示.

從幅頻特性曲線可知，在17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz，170.182 3 Hz范圍附近時(shí)，頻響圖出現(xiàn)了峰值.且在17.694 7 Hz和55.816 6 Hz時(shí)，幅值很大，因此偏航系統(tǒng)在工作時(shí)候，偏航驅(qū)動電機(jī)的頻率要錯(cuò)開這兩個(gè)頻率的范圍，以免共振帶來的危害.而系統(tǒng)的第三階和第四階扭轉(zhuǎn)頻率遠(yuǎn)大于偏航電機(jī)的驅(qū)動頻率，故影響較小.此研究結(jié)果與廠家提供的固有頻率值基本吻合.

3）添加控制后的振動分析

以主機(jī)架y方向的轉(zhuǎn)角為反饋量，以在主機(jī)架上施加的力矩為控制量，定義輸入輸出.在主機(jī)架上創(chuàng)建單分量力矩，初始值為0；建立控制系統(tǒng)的輸入環(huán)節(jié).在主機(jī)架質(zhì)心處建立一個(gè)Marker_186點(diǎn)，坐標(biāo)與主機(jī)架的質(zhì)心坐標(biāo)一致，建立一個(gè)控制輸入.創(chuàng)建比例環(huán)節(jié)，創(chuàng)建比較環(huán)節(jié).然后運(yùn)行仿真，仿真時(shí)間為20 s，步長為0.1.得到主機(jī)架振動角位移控制前后的角度變化圖.

由圖12可知，未加控制之前，主機(jī)架在偏航運(yùn)動的結(jié)束階段存在劇烈的來回振蕩現(xiàn)象，且振動的幅值達(dá)到了0.15 rad，振動衰減的時(shí)間超過了20 s，這種來回振蕩運(yùn)動會給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組疲勞壽命帶來嚴(yán)重的損傷.當(dāng)加了控制后，偏航系統(tǒng)運(yùn)動狀況非常理想，只在剎車后的7.25 s內(nèi)存在較小的抖動，之后機(jī)艙能夠迅速鎖死并保持靜止?fàn)顟B(tài).

3結(jié)論

1）建立了兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)了動力學(xué)仿真分析與振動分析.結(jié)果表明，該虛擬樣機(jī)能夠準(zhǔn)確模擬兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的真實(shí)工作狀況.

2）振動分析結(jié)果表明，偏航系統(tǒng)主要振動方式為扭轉(zhuǎn)振動，且前四階的固有頻率分別為17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz和70.182 3 Hz.

3）通過在主機(jī)架上加反饋控制，偏航系統(tǒng)運(yùn)動狀況非常理想，這有利于消除兆瓦級風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)來回振蕩現(xiàn)象.

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