屈圭，梅滬光

(廣東技術(shù)師范學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東廣州510635)

風(fēng)電機(jī)葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能并通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機(jī)。系統(tǒng)各種勻速運(yùn)行狀態(tài)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程。系統(tǒng)啟動(dòng)與制動(dòng)過(guò)程，一種工況向另一種工況的過(guò)渡過(guò)程;變速、變漿過(guò)程，運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)速突變、湍流、風(fēng)切變等過(guò)程以及并網(wǎng)、脫網(wǎng)與緊急制動(dòng)運(yùn)行負(fù)載變化和系統(tǒng)參數(shù)變化過(guò)程是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。如果在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計(jì)，不考慮運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)態(tài)因素和應(yīng)變狀態(tài)，則個(gè)別零部件的疲勞損壞會(huì)早期出現(xiàn)，壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期值。對(duì)目前主要類型的風(fēng)電機(jī)，均將機(jī)械傳動(dòng)部件設(shè)置在塔頂高空的設(shè)備來(lái)說(shuō)，就造成了巨大的維修成本和停機(jī)成本。目前，國(guó)內(nèi)各大風(fēng)電場(chǎng)的早期設(shè)備，在運(yùn)行中期出現(xiàn)不同程度的傳動(dòng)系統(tǒng)故障和變速箱齒輪失效等問(wèn)題，就是很好的例證。因此，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)故障與失效原因的研究，特別是對(duì)大型風(fēng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)變分析很有必要。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)模型與理論基礎(chǔ)

風(fēng)電機(jī)一般傳動(dòng)模型如圖1 所示。

圖1 風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖

如果將風(fēng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)各零部件和連接簡(jiǎn)化成質(zhì)量、彈簧及阻尼，那么凡是討論中可視為非剛性的柔性原件，都要簡(jiǎn)化出彈簧，這樣整個(gè)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)就是一個(gè)復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)。可以用分析力學(xué)方法建立其運(yùn)動(dòng)方程，然后求解，這是一種研究思路。但機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)過(guò)程本身就是一種能量傳遞過(guò)程，因此從能量觀點(diǎn)入手，將風(fēng)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的能量傳遞本質(zhì)作為研究對(duì)象，則整個(gè)風(fēng)電機(jī)就是一個(gè)能量傳遞和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。各種工作過(guò)程以及系統(tǒng)零部件的荷載與運(yùn)動(dòng)過(guò)程也就是不同能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

以葉輪、主軸、齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)為傳動(dòng)系統(tǒng)研究對(duì)象，葉輪為轉(zhuǎn)矩輸入端，發(fā)電機(jī)為負(fù)載端，剎車裝置為傳動(dòng)系統(tǒng)的外力源，風(fēng)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程就是能量傳遞與轉(zhuǎn)換變化的過(guò)程。葉片將風(fēng)能變?yōu)檩斎朕D(zhuǎn)矩TR驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，并轉(zhuǎn)化成傳動(dòng)件的動(dòng)能和由于傳動(dòng)件彈性變形的彈性勢(shì)能，傳動(dòng)件的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)的電能。

眾所周知，傳動(dòng)系統(tǒng)與構(gòu)件的失效由應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)決定。根據(jù)彈性力學(xué)理論，系統(tǒng)和構(gòu)件的應(yīng)力與變形狀態(tài)取決于變形能。由廣義虎克定律，在線彈性范圍內(nèi)應(yīng)變與應(yīng)力成正比，所以在知道結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，可以將系統(tǒng)應(yīng)變直接由變形能表示。通過(guò)研究變形能來(lái)揭示傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)變狀態(tài)。設(shè)傳動(dòng)構(gòu)件均為線彈性材料，則系統(tǒng)變形構(gòu)件的變形能為:

對(duì)于單個(gè)構(gòu)件的截面位移，彎曲和扭轉(zhuǎn)變形能具體計(jì)算如下:

對(duì)全部長(zhǎng)度上扭矩相等的構(gòu)件:

對(duì)于非線性彈性材料的構(gòu)件，式(1)仍成立，但力與位移關(guān)系、應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系由具體材料的試驗(yàn)曲線確定。變形能為:

2 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程分析

實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)的功率傳遞過(guò)程大致可分為3種狀態(tài):穩(wěn)態(tài)平衡運(yùn)行，正常啟動(dòng)停止，緊急停車。在風(fēng)電機(jī)達(dá)到額定風(fēng)速正常運(yùn)行過(guò)程中，葉輪的轉(zhuǎn)矩克服系統(tǒng)摩擦等因素后與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩相互平衡。由于電網(wǎng)端可視為無(wú)限大，因此，負(fù)載電壓和頻率恒定。如果風(fēng)速出現(xiàn)持續(xù)增大或減小，對(duì)恒速風(fēng)機(jī)，則控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整葉輪對(duì)風(fēng)或變漿，減少或增大葉輪對(duì)風(fēng)功率的吸收，保證轉(zhuǎn)速不變，輸出功率為額定功率。對(duì)變速風(fēng)機(jī)，控制系統(tǒng)在保證額定轉(zhuǎn)矩的前提下，使風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速提高或減小，輸出功率隨輸入功率發(fā)生改變。由于系統(tǒng)控制的作用，這種變速過(guò)程沖擊很小。正常啟動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)投入運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到并網(wǎng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)，電磁轉(zhuǎn)矩負(fù)載接入。隨著風(fēng)速持續(xù)增大，葉輪輸出扭矩持續(xù)增大，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，輸出功率增加，達(dá)到額定功率后由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，維持葉輪吸收功率不變。風(fēng)電機(jī)需要正常停車時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)向或變漿減少葉輪對(duì)風(fēng)功率的吸收，輸入轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速下降;達(dá)到解列脫網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)脫網(wǎng);隨之機(jī)械剎車制動(dòng)，使風(fēng)電機(jī)停轉(zhuǎn)。由于控制系統(tǒng)給定了停車時(shí)間，所以沖擊較小。但在遇到較大風(fēng)切變或湍流時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)矩會(huì)在平衡轉(zhuǎn)矩基礎(chǔ)上出現(xiàn)波動(dòng)變化。遇到災(zāi)害性氣候葉輪突然加速和出現(xiàn)故障需要緊急停車時(shí)，一般是風(fēng)電機(jī)調(diào)向、發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)和機(jī)械剎車制動(dòng)三者同時(shí)進(jìn)行。由于發(fā)生時(shí)間不可控，葉輪加速度較大，對(duì)傳動(dòng)裝置沖擊巨大，必須進(jìn)行認(rèn)真分析，以保證系統(tǒng)傳動(dòng)構(gòu)件壽命和系統(tǒng)安全。

在風(fēng)電機(jī)啟動(dòng)與停車過(guò)程中，傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)能和勢(shì)能是變化的。啟動(dòng)過(guò)程中，負(fù)載未接入時(shí)，隨著輸入能量增加，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速提高、動(dòng)能增加。在這個(gè)過(guò)程中，由于扭矩很小，所以系統(tǒng)彈性勢(shì)能很小，變形很小。當(dāng)負(fù)載接入后，傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL隨發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的增大而增加。達(dá)到額定輸出功率時(shí)，轉(zhuǎn)速基本恒定，系統(tǒng)輸入能量轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵瞿芰颗c系統(tǒng)本身動(dòng)能和彈性勢(shì)能之和。停車過(guò)程中，隨著輸入能量減少，轉(zhuǎn)速下降，傳動(dòng)系統(tǒng)自身能量減少。當(dāng)從電網(wǎng)解列時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載扭矩減為0，系統(tǒng)彈性勢(shì)能變?yōu)楹苄?。由于這個(gè)過(guò)程是系統(tǒng)控制的變化過(guò)程，所以可以給定足夠長(zhǎng)的時(shí)間控制成一個(gè)緩變過(guò)程，或者呈線性增加或減少，使系統(tǒng)沖擊盡可能小。停車過(guò)程是要進(jìn)行剎車制動(dòng)的，實(shí)際上是給傳動(dòng)系統(tǒng)額外施加了一個(gè)突加負(fù)載，這個(gè)過(guò)程將旋轉(zhuǎn)部件，如主軸、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)軸等構(gòu)件的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他能量，如剎車片與剎車盤摩擦所產(chǎn)生的熱的過(guò)程。同時(shí)，剎車過(guò)程傳動(dòng)系統(tǒng)及其組成構(gòu)件在外力的作用下發(fā)生變形，這樣一部分動(dòng)能就以彈性變形能的形式儲(chǔ)存在傳動(dòng)系統(tǒng)中。因此，一次啟動(dòng)和正常停車，只相當(dāng)于一次應(yīng)力循環(huán)，對(duì)傳動(dòng)件的疲勞破壞影響很小。在風(fēng)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，上述動(dòng)能和彈性勢(shì)能基本為常數(shù)，且接近額定扭矩，所以，應(yīng)力值雖然很大。但是靜態(tài)載荷對(duì)主軸疲勞破壞影響不大。

風(fēng)湍流可以造成傳動(dòng)件在靜載基礎(chǔ)上很大的應(yīng)力變化，使靜態(tài)載荷變?yōu)閯?dòng)載荷，造成零部件變形和應(yīng)力變化。由于疲勞破壞不僅與應(yīng)力大小有關(guān)，關(guān)鍵還與應(yīng)力的變化有關(guān)。而非對(duì)稱的應(yīng)力循環(huán)造成的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)可以更少。加上這部分應(yīng)力是靜載基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)載荷，在零部件質(zhì)量和加速度很大時(shí)，給傳動(dòng)件附加的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和變形會(huì)大大超過(guò)靜載。當(dāng)外力去除時(shí)，變形能又對(duì)系統(tǒng)零部件做功，能量轉(zhuǎn)化為功的形式，造成部分零部件運(yùn)動(dòng)以及結(jié)構(gòu)與位置發(fā)生變化。緊急制動(dòng)停車的突加制動(dòng)扭矩，使系統(tǒng)變形急劇增加，可以造成極大的應(yīng)力值和應(yīng)變值。因此，這是兩種對(duì)傳動(dòng)件造成最大破壞的運(yùn)行過(guò)程。

3 剎車過(guò)程的變形能分析

根據(jù)疊加原理，多個(gè)變形傳動(dòng)件組成傳動(dòng)系統(tǒng)的變形能為:

從上式可知，傳動(dòng)系統(tǒng)總變形能由各零部件變形能之和組成?？傋冃文茉诓煌\(yùn)行階段中有變化。在總變形能一定時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的不同環(huán)節(jié)的變形能是不同的。緊急剎車過(guò)程中，如果傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的變形能集中在某一環(huán)節(jié)，則會(huì)引起局部應(yīng)力過(guò)大，發(fā)生較大應(yīng)變。當(dāng)這些環(huán)節(jié)所受應(yīng)力超過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)力時(shí)，其壽命就急劇減低。因而出現(xiàn)目前風(fēng)電機(jī)在設(shè)計(jì)壽命的1/2甚至1/3 時(shí)，就出現(xiàn)重要部件失效的現(xiàn)象。

因此，分析剎車過(guò)程傳動(dòng)系統(tǒng)的變化，對(duì)于剎車系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分必要的。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，可以驗(yàn)證風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)是否達(dá)到目的。

根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的受力狀態(tài)，分析剎車過(guò)程受到的外力時(shí)，不考慮變化和影響相對(duì)較小的軸向力、重力及軸承支反力和傳動(dòng)摩擦等作用，只考慮葉尖或變漿剎車力矩TY、機(jī)械剎車的制動(dòng)力矩TZ、電機(jī)電磁阻力矩TE、以及葉輪的氣動(dòng)力矩TR的影響。則可以得到剎車過(guò)程的能量守衡方程。其中合力矩:

從剎車開(kāi)始t = 0 到剎車結(jié)束t = t1，合力矩做的功:

根據(jù)能量守衡定律，剎車過(guò)程的能量守衡方程為:U = W + E

即:

通過(guò)分析傳動(dòng)系統(tǒng)變形能方程知:如果傳動(dòng)系統(tǒng)是剛體系統(tǒng)，從式(7)可知，隨著轉(zhuǎn)速的降低，作用力矩TZ隨葉尖阻尼力矩TY下降逐漸減小，在剎車終止轉(zhuǎn)速為零時(shí)變?yōu)榱?。也就是說(shuō)，剎車過(guò)程中傳動(dòng)系統(tǒng)承受的最大力矩出現(xiàn)在機(jī)械剎車開(kāi)始作用的時(shí)刻。

但系統(tǒng)實(shí)際上是線彈性的，由于變形的存在，作用在傳動(dòng)系統(tǒng)上的突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響效果要進(jìn)一步分析。

為了得到出現(xiàn)最大變形能的條件，應(yīng)該求式(7)的極值。通過(guò)對(duì)式(7)進(jìn)行求導(dǎo)，可以得出變形能出現(xiàn)最大值的必要條件。

根據(jù)極值條件知，當(dāng)ω =0 時(shí)，U' =0 變形能最大。也就是說(shuō):剎車過(guò)程中，傳動(dòng)系統(tǒng)最大變形能將出現(xiàn)在剎車過(guò)程結(jié)束、風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)刻。相應(yīng)地此時(shí)主軸和齒輪箱承受最大應(yīng)力。

受扭矩的系統(tǒng)變形能可用公式(3)表示:

從上式知:對(duì)于承受扭矩的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，降低T、適當(dāng)減少主軸的長(zhǎng)度l、增大極慣矩Ip、增大剛度G都可以減小變形能。但上述參數(shù)有些是無(wú)法改變的，或只能做有限的改變。因此，還要進(jìn)一步分析扭矩在整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中的分布。

上式和實(shí)驗(yàn)都表明:扭矩最大的構(gòu)件，也就是低速構(gòu)件可能承受的變形能最大。因此，葉輪部分分布最多，但葉片柔性好，輪轂剛度最高，造成的實(shí)際失效幾乎為0;主軸分布的變形能次之，但主軸剛度和極慣矩很大，應(yīng)變和失效不多;高速軸和變速箱變形能分布最少，但結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，剛度小;特別是不論在何種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，傳動(dòng)齒輪都承受變載荷作用。因此疲勞失效會(huì)最先發(fā)生。由此可以說(shuō)明，無(wú)齒輪箱的直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)在可靠性方面是有很大優(yōu)勢(shì)的。

同時(shí)，上述分析也告訴人們，在設(shè)計(jì)剎車動(dòng)作程序時(shí)，要盡量使變形能出現(xiàn)在葉輪部分，所以，葉片剎車是最安全可靠的制動(dòng)裝置。目前大型商業(yè)風(fēng)電機(jī)葉尖剎車已逐漸被變漿葉片取代，因此可以運(yùn)用變漿制動(dòng)措施。

另外，可以增加設(shè)計(jì)低速軸機(jī)械剎車，以便減少主軸和齒輪箱等傳動(dòng)環(huán)節(jié)的應(yīng)變。在傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置柔性構(gòu)件，吸收變形能。從而減少變形能對(duì)其他零部件的影響。所以，在風(fēng)電系統(tǒng)中采用大型液力耦合器或液力變距器的設(shè)計(jì)方案是可行的。因此，在傳動(dòng)系統(tǒng)中增加必要的柔性緩沖環(huán)節(jié)，是徹底解決來(lái)自于風(fēng)能轉(zhuǎn)換的沖擊載荷的根本措施。不利之處在于增加了這部分成本，增加了液力變距器油液污染的可能性。也可以采用扭轉(zhuǎn)柔性主傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)，比如空心薄壁結(jié)構(gòu)、永磁材料套筒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等。

4 結(jié)論

綜上分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)風(fēng)場(chǎng)湍流頻繁地區(qū)，風(fēng)電機(jī)傳動(dòng)件疲勞破壞會(huì)更加提早發(fā)生。

(2)經(jīng)常緊急停車，對(duì)風(fēng)電機(jī)使用壽命的影響很大。制動(dòng)結(jié)束風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的應(yīng)變將達(dá)到峰值。應(yīng)設(shè)計(jì)合理的制動(dòng)程序，在風(fēng)電機(jī)停轉(zhuǎn)前降低制動(dòng)扭矩，避免風(fēng)電機(jī)傳動(dòng)件壽命縮短。

(3)疲勞破壞發(fā)生在傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)力值大、變應(yīng)力集中作用的構(gòu)件。

(4)對(duì)大型風(fēng)電機(jī)，可以增加低速軸緊急制動(dòng)裝置;也可以增加吸收變形能的柔性裝置或環(huán)節(jié)。

(5)單純提高傳動(dòng)構(gòu)件剛度不是可行方法，應(yīng)該針對(duì)過(guò)大應(yīng)變的構(gòu)件采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免變形引起的應(yīng)力過(guò)大。

(6)葉尖和變漿剎車是大型風(fēng)電機(jī)最安全、對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊最小的制動(dòng)方法。在滿足安全的前提下，應(yīng)降低機(jī)械剎車的制動(dòng)力矩。同時(shí)對(duì)大型風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)低速軸機(jī)械制動(dòng)裝置。

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