風(fēng)電軸承測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何錄忠，章滔，陽雪兵，徐璐，李敏

(1.哈電風(fēng)能有限公司，湖南湘潭 411101；2.海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411101；3.湖南精益?zhèn)鲃?dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)有限公司，湖南長沙 410007)

0 前言

隨著風(fēng)電市場(chǎng)快速發(fā)展，大兆瓦風(fēng)電機(jī)組時(shí)代已經(jīng)到來，目前陸上機(jī)組已全面進(jìn)入3 MW及以上的時(shí)代，海上機(jī)組已進(jìn)入到6～8 MW的時(shí)代。風(fēng)電軸承屬于風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，特別是主軸承更是風(fēng)電機(jī)組的核心部件。風(fēng)電軸承裝機(jī)前的摩擦力矩、游隙、空載穩(wěn)定溫度是其性能體現(xiàn)的重要指標(biāo)。

國外知名軸承公司SCHAEFFLER、NTN等在2011年左右就已制造風(fēng)電軸承試驗(yàn)機(jī)，德國SCHAEFFLER于2011年制造了大型風(fēng)電軸承加載試驗(yàn)機(jī)；日本NTN軸承公司2012年研制了名為WindLab的主軸承試驗(yàn)臺(tái)。國內(nèi)軸承廠近些年也在重點(diǎn)搭建風(fēng)電試驗(yàn)臺(tái)，其中DYZ在2013年聯(lián)合大連理工大學(xué)設(shè)計(jì)研制了大型風(fēng)電軸承加載試驗(yàn)機(jī)；瓦軸集團(tuán)于2015年設(shè)計(jì)了一種3.6 m風(fēng)電變槳偏航軸承試驗(yàn)機(jī)。

目前風(fēng)電軸承試驗(yàn)機(jī)的研制主要集中在軸承廠，主要用于加載測(cè)試，測(cè)試軸承的載荷適用性，但集風(fēng)電軸承摩擦力矩、游隙、空載溫升于一體的測(cè)試系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)比較少。為此，本文作者開發(fā)了風(fēng)電軸承功能測(cè)試臺(tái)XDSMB-01，實(shí)現(xiàn)3～8 MW大兆瓦風(fēng)電機(jī)組偏航軸承、變槳軸承的摩擦力矩、游隙以及空轉(zhuǎn)溫升測(cè)試。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

依據(jù)風(fēng)電軸承大尺寸、高可靠性、更換成本高等特征，本文作者結(jié)合整機(jī)廠對(duì)軸承應(yīng)用的控制要求，設(shè)計(jì)風(fēng)電軸承功能測(cè)試臺(tái)XDSMB-01，要求系統(tǒng)具備以下功能：

(1)在線采集軸承啟動(dòng)摩擦力矩及空轉(zhuǎn)摩擦力矩。

(2)軸向游隙及徑向游隙的測(cè)量。

(3)軸承空轉(zhuǎn)溫升測(cè)試試驗(yàn)。

風(fēng)電軸承功能測(cè)試臺(tái)XDSMB-01的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)及其參數(shù)值如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

2 測(cè)試系統(tǒng)原理

測(cè)試系統(tǒng)包含機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)控制機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行轉(zhuǎn)動(dòng)功能，帶動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)，游隙的測(cè)量通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，再通過傳感器(扭矩傳感器、位移傳感器、溫度傳感器等)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)及處理形成圖文報(bào)告。

2.1 游隙測(cè)量

(1)徑向游隙測(cè)量原理

圖1所示為徑向游隙測(cè)量原理，通過液壓系統(tǒng)，取180°對(duì)稱兩處，夾緊1、夾緊3交替加載夾緊一次后，由位移傳感器測(cè)量Δ;重復(fù)以上為夾緊2、夾緊4，由位移傳感器測(cè)量該處對(duì)應(yīng)的Δ。依次選取4處，測(cè)得4組位移數(shù)據(jù)，對(duì)4組數(shù)據(jù)求平均值即為徑向游隙。

圖1 徑向游隙測(cè)量原理

(2)軸向游隙測(cè)量原理

圖2所示為軸向游隙測(cè)量原理，外環(huán)固定，通過對(duì)內(nèi)環(huán)沿軸向加載，在軸承圓周方向均布4個(gè)位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)環(huán)相對(duì)于外環(huán)的4個(gè)位置的相對(duì)位移差值(Δ)，對(duì)4個(gè)位移差值取平均值即為該軸承的軸向游隙值。

圖2 軸向游隙測(cè)量原理

2.2 摩擦力矩測(cè)試

將測(cè)試軸承放置在試驗(yàn)臺(tái)上，軸承的外圈或者內(nèi)圈固定，試驗(yàn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)臂安裝在軸承的動(dòng)圈上，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂，帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)，由旋轉(zhuǎn)臂上的力傳感器對(duì)啟動(dòng)、旋轉(zhuǎn)過程的力矩進(jìn)行測(cè)試，再由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行記錄并存儲(chǔ)。

2.3 溫升測(cè)試

將測(cè)試軸承放置在試驗(yàn)臺(tái)上，軸承的外圈或者內(nèi)圈固定，試驗(yàn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)臂安裝在軸承的動(dòng)圈上，利用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)軸承空轉(zhuǎn)，利用溫度傳感器對(duì)軸承內(nèi)外圈的溫度進(jìn)行在線測(cè)試并記錄，運(yùn)轉(zhuǎn)至軸承溫度穩(wěn)定。

3 XDSMB-01測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，XDSMB-01風(fēng)電軸承功能測(cè)試臺(tái)主要由裝配臺(tái)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、游隙測(cè)量系統(tǒng)、力矩測(cè)量系統(tǒng)組成。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)整體設(shè)計(jì)及實(shí)物

機(jī)座組件1的剖視圖如圖4所示，XDSMB-01風(fēng)電軸承功能測(cè)試臺(tái)機(jī)座組件包含了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)架，機(jī)架由軸承支撐平臺(tái)滑軌及支座腿通過螺栓連接，整個(gè)機(jī)座組件通過地腳螺栓與地面連接，以保證整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的剛度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖4 機(jī)座組件1剖視圖

(1)風(fēng)電軸承測(cè)試臺(tái)摩擦力矩及空轉(zhuǎn)測(cè)試

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電機(jī)、減速器、控制單元、TRB+TRB的剛性軸系組成，伺服電機(jī)是提供可變速度的動(dòng)力單元，匹配減速機(jī)及軸系，實(shí)現(xiàn)測(cè)試臺(tái)的旋轉(zhuǎn)功能，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速0～20 r/min、力矩50 000 N·m的負(fù)載能力。

轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)如圖5所示，轉(zhuǎn)臂與撥桿之間設(shè)計(jì)有力傳感器，可在線監(jiān)測(cè)測(cè)試過程中的力矩值，并通過滑環(huán)通道連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)界面顯示并存儲(chǔ)。

圖5 轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)

(2)風(fēng)電軸承測(cè)試臺(tái)游隙的測(cè)量

通過兩組徑向推力加載裝置8測(cè)量徑向游隙。加載裝置由液壓缸作為動(dòng)力源，施加徑向力夾緊軸承內(nèi)外圈，再通過位移傳感器采集內(nèi)外圈的徑向位移變化，最后得到徑向游隙值，并顯示及存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

通過4組軸向舉升加載裝置5測(cè)量軸向游隙。軸向舉升加載裝置由液壓缸作為動(dòng)力源，施加壓力舉升軸承內(nèi)圈，再通過位移傳感器采集內(nèi)外圈的位移變化，最后得到軸向游隙值，顯示并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

(3)風(fēng)電軸承測(cè)試臺(tái)溫升測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

通過4組PT100溫度傳感器(磁性)測(cè)量軸承溫升。溫度傳感器分別安裝在測(cè)試軸承的內(nèi)圈及外圈的外圓上，信號(hào)接入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，動(dòng)圈上的溫度信號(hào)通過滑環(huán)9接入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。

3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

XDSMB-01風(fēng)電軸承功能測(cè)試臺(tái)的游隙測(cè)量通過液壓裝置實(shí)現(xiàn)，加載范圍廣、穩(wěn)定、可靠，液壓系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 液壓原理

選用的液壓元器件的型號(hào)及技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 液壓元器件選型

3.3 電控設(shè)計(jì)

(1)電路系統(tǒng)

XDSMB-01風(fēng)電軸承功能測(cè)試臺(tái)的電路設(shè)計(jì)原理如圖7所示，主要包含了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分。

圖7 電路原理

(2)傳感器選型

測(cè)試系統(tǒng)中采用傳感器類型有：力傳感器、壓力變送器、溫度傳感器、位移傳感器,具體型號(hào)及參數(shù)見表3。

表3 傳感器選型

(3)控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要通過繼電器及脈沖輸出控制電機(jī)的啟停、速度調(diào)節(jié)及運(yùn)轉(zhuǎn)方向控制。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用2臺(tái)MS-220STE-TL96015B-415P0-XJ交流伺服電機(jī)，配合減速機(jī)箱型號(hào)KAF97-SF220-16.56-M6，通過專用伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速范圍0～20 r/min及力矩范圍0～50 000 N·m的試驗(yàn)技術(shù)要求。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于組態(tài)王6.55開發(fā)平臺(tái)，測(cè)試軟件邏輯框圖如圖8所示，軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及顯示部分的設(shè)計(jì)；測(cè)試系統(tǒng)按功能進(jìn)行分類：溫升測(cè)試、軸向游隙測(cè)試、徑向游隙測(cè)試、裝配功能；圖9所示為XDSMB-01風(fēng)電軸承功能測(cè)試臺(tái)測(cè)試溫升及摩擦力矩、游隙的可視化界面。

圖8 測(cè)試軟件邏輯框圖

圖9 測(cè)試系統(tǒng)主界面

4 總結(jié)

風(fēng)電軸承為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，其可靠性至關(guān)重要，風(fēng)電軸承的游隙、摩擦力矩、空轉(zhuǎn)溫升均為其運(yùn)行性能的重要指標(biāo)。檢測(cè)風(fēng)電軸承的游隙、摩擦力矩、空轉(zhuǎn)溫升，可確認(rèn)風(fēng)電軸承的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量、裝配質(zhì)量，提高風(fēng)電軸承在風(fēng)機(jī)上運(yùn)行的可靠性。應(yīng)用機(jī)電液一體的設(shè)計(jì)，提高了測(cè)試的精度并大幅提高了測(cè)試效率，XDSMB-01風(fēng)電軸承功能測(cè)試臺(tái)具備友好的人機(jī)界面，擴(kuò)展性強(qiáng)，可作為風(fēng)電軸承樣件開發(fā)的試驗(yàn)平臺(tái)及入廠檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)提高產(chǎn)品的裝機(jī)可靠性有益處。