何先照，劉 勇，湯永江，余清清，朱長(zhǎng)江

(1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310000)

0 引 言

在風(fēng)電行業(yè)變槳軸承的服役過(guò)程中，由于出現(xiàn)變槳軸承套圈斷裂以及保持架斷裂以及開(kāi)裂的問(wèn)題，使風(fēng)電機(jī)組變槳軸承運(yùn)行安全性及穩(wěn)定性受到廣泛的關(guān)注[1-3]。

風(fēng)電機(jī)組變槳軸承失效形式，究其根源是對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況與變槳軸承運(yùn)行規(guī)律的認(rèn)識(shí)不足。在以往的變槳軸承設(shè)計(jì)時(shí)，通常將變槳軸承周圍聯(lián)接件視為剛性聯(lián)接，沿用通用軸承設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)重變槳軸承滾道承載能力、壽命設(shè)計(jì)的評(píng)估，未能充分考慮變槳軸承內(nèi)外套圈強(qiáng)度、疲勞、剛度問(wèn)題，給變槳軸承運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。隨著有限元(FEA)技術(shù)不斷發(fā)展，變槳軸承及變槳系統(tǒng)聯(lián)接件剛性假設(shè)條件被打破[4]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了FEA技術(shù)研究，為更精準(zhǔn)計(jì)算變槳軸承套圈受載[5-8]、疲勞壽命[9-12]以及剛度提供了有效計(jì)算方法。

鑒于FEA技術(shù)已廣泛應(yīng)用于變槳軸承的設(shè)計(jì)，為更好地將仿真、測(cè)試技術(shù)進(jìn)行融合，筆者引入載荷測(cè)試技術(shù)，分析風(fēng)電機(jī)組不同運(yùn)行功率下變槳軸承軸向位移、徑向位移的變化特點(diǎn)，探尋風(fēng)電機(jī)組變槳軸承動(dòng)態(tài)柔性特性的規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)采集測(cè)試方案

1.1 接近開(kāi)關(guān)采集設(shè)備及通道配置

筆者選取接近開(kāi)關(guān)作為位移傳感器，用于檢測(cè)被測(cè)物體與接近開(kāi)關(guān)相對(duì)位移。信號(hào)采集設(shè)備涉及主采柜、輪轂電流測(cè)試柜、接近開(kāi)關(guān)等。電器接線主要為輪轂電流柜與16個(gè)接近開(kāi)關(guān)傳感器接線，輪轂電流柜230 VAC供電接線，輪轂電流柜與主采柜CAN通訊接線，主采柜230 VAC供電接線。由于輪轂電流柜固定在風(fēng)輪輪轂內(nèi)，輪轂電流柜與主采柜CAN通訊接線要經(jīng)過(guò)滑環(huán)備用通道，通道配有兩路CAN接口，CAN1串聯(lián)120 Ω電阻表示終端，CAN2連接滑環(huán)備用通道，再與主采集柜連接；輪轂電流柜供電則由輪轂內(nèi)230VAC供電，接入輪轂電流柜供電電源接口。

輪轂電流測(cè)試柜與主采柜共配16個(gè)通道，可分別接16個(gè)接近開(kāi)關(guān)，同時(shí)采集16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移，4路電源為16個(gè)接近開(kāi)關(guān)供電。

其接線原理圖如圖1所示。

圖1 通道配置

測(cè)試共用到輪轂電流測(cè)試柜4個(gè)點(diǎn)，用于測(cè)量變槳軸承內(nèi)外圈相對(duì)位移測(cè)量。

1.2 變槳軸承位移測(cè)試方案

在受載運(yùn)行過(guò)程中，為測(cè)量變槳軸承內(nèi)外圈相對(duì)位移變化情況，可將接近開(kāi)關(guān)傳感器安裝于支架后固定在輪轂上，用于測(cè)量變槳軸承內(nèi)外圈軸向徑向相對(duì)位移，如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)及位移傳感器布置圖

圖2中，A、B、C三點(diǎn)作為測(cè)試對(duì)象，共4個(gè)位移傳感器，分別為A點(diǎn)內(nèi)圈徑向位移傳感器1個(gè)，B點(diǎn)外圈軸向徑向位移傳感器各1個(gè)，C點(diǎn)外圈徑向位移傳感器1個(gè)。

1.3 葉根載荷測(cè)試方案

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)編制的風(fēng)電機(jī)組載荷測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，變槳軸承的載荷主要來(lái)自葉根的揮舞與擺振彎矩，可通過(guò)在葉根安裝T-型全橋應(yīng)變片測(cè)量變槳軸承在運(yùn)行過(guò)程中所受的彎矩，應(yīng)變橋路及應(yīng)變片安裝位置如圖3所示。

圖3 應(yīng)變橋路及應(yīng)變片安裝位置

圖3中，在每個(gè)葉根的揮舞和擺振方向各安裝2組應(yīng)變片進(jìn)行彎矩測(cè)量；應(yīng)變片安裝于葉根圓柱體4等分位置，即距離葉根螺栓最深處0.5 m處。

2 有限元模型建立

筆者將變槳軸承置于槳葉葉根、輪轂、聯(lián)接螺栓、聯(lián)接圓盤(pán)等中，以系統(tǒng)地分析變槳軸承。

變槳系統(tǒng)模型及變槳軸承有限元模型局部剖視圖如圖4所示。

圖4 有限元模型

3 測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

3.1 位移測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

為研究不同功率段下變槳軸承內(nèi)外相對(duì)位移情況，統(tǒng)計(jì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行各個(gè)功率段下數(shù)以萬(wàn)級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)，筆者將功率按每隔100 kW進(jìn)行分段，讀取不同功率段下各位移傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)各區(qū)段數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求其平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，用于評(píng)估變槳軸承在運(yùn)行過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)軸向位移、徑向位移變化情況，并選取4個(gè)功率段作為研究對(duì)象。

各點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)位移變化統(tǒng)計(jì)

3.2 載荷測(cè)試數(shù)據(jù)提取

依據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)范葉根坐標(biāo)系定義，筆者將3片槳葉葉根擺振與揮舞彎矩分別標(biāo)記為Mx1、My1、Mx2、My2、Mx3、My3。

在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，變槳軸承承受對(duì)稱循環(huán)擺振載荷與脈動(dòng)循環(huán)揮舞載荷葉輪旋轉(zhuǎn)一圈為一個(gè)循環(huán)周期，如圖5所示。

3.3 有限分析數(shù)據(jù)提取

筆者按功率等級(jí)650 kW、1 050 kW、1 350 kW、1 650 kW，分別提取一個(gè)循環(huán)周期載荷作為有限元輸入載荷，如表2所示。

圖5 變槳軸承時(shí)序載荷

表2 有限元模型輸入載荷

筆者將表2的載荷加載到變槳系統(tǒng)有限模型中，分析變槳軸承內(nèi)外圈相對(duì)位移情況，讀取不同功率下各循環(huán)工況仿真結(jié)果，結(jié)果顯示變槳軸承內(nèi)外圈相對(duì)位置隨載荷變化而變化，如圖6所示。

圖6 有限元仿真結(jié)果

從有限元模型中，筆者讀取不同功率載荷下測(cè)點(diǎn)A徑向、測(cè)點(diǎn)B軸向、測(cè)點(diǎn)B徑向、測(cè)點(diǎn)C徑向相對(duì)應(yīng)的軸向位移、徑向位移。

各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移如表3所示。

表3 有限元仿真結(jié)果

3.4 測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比分析

變槳軸承載荷承受對(duì)稱循環(huán)擺振載荷與脈動(dòng)循環(huán)揮舞載荷，電機(jī)組葉輪旋轉(zhuǎn)一周，變槳軸承承受一次交變載荷，變槳軸承各點(diǎn)相對(duì)位移做一次循環(huán)。筆者對(duì)表3中各功率下一個(gè)循環(huán)周期各測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移求平均，結(jié)果如表4所示。

表4 各載荷下測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移均值

將表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與表4有限元仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下：

(1)對(duì)比測(cè)點(diǎn)A與測(cè)點(diǎn)B、C可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)均表明，隨著風(fēng)電機(jī)組功率的增大，變槳軸承內(nèi)外圈相對(duì)位移隨著增大，同載荷下變槳軸承內(nèi)圈相對(duì)于變槳軸承外圈相對(duì)位移更大；

(2)對(duì)比B測(cè)點(diǎn)軸向與徑向位移可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)B徑向標(biāo)準(zhǔn)偏差要大于測(cè)點(diǎn)B軸向標(biāo)準(zhǔn)偏差，同時(shí)仿真數(shù)據(jù)也表明B點(diǎn)徑向位移大于軸向位移，由此可見(jiàn)變槳軸承外圈徑向位移大于軸向位移；

(3)對(duì)比各功率下實(shí)測(cè)位移與仿真位移數(shù)據(jù)可知，各功率下一個(gè)循環(huán)周期變槳軸承外圈軸向位移、徑向位移代數(shù)和雖在數(shù)值上存在差異，但基本維持不變；變槳軸承內(nèi)圈徑向相對(duì)位移隨功率增大而增大，但變化趨勢(shì)一致,均向被測(cè)點(diǎn)靠近，載荷越大越接近被測(cè)點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)變槳軸承方法中的剛性假設(shè)不能反應(yīng)變槳軸承動(dòng)態(tài)運(yùn)行特點(diǎn)的問(wèn)題，筆者引入在線測(cè)試與仿真分析技術(shù)，對(duì)變槳軸承動(dòng)態(tài)柔性特性進(jìn)行了研究；通過(guò)對(duì)變槳軸承內(nèi)外圈相對(duì)位移實(shí)測(cè)、有限元仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，變槳軸承內(nèi)外圈相對(duì)位移隨載荷變化呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果在數(shù)值上存在差異，但兩者變化趨勢(shì)、變化規(guī)律一致；變槳軸承內(nèi)外圈軸向位移、徑向位移大小隨載荷做周期性變化，內(nèi)外圈位移大小，方向呈現(xiàn)各自變化規(guī)律。