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)
隨著風(fēng)電市場快速發(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。國內(nèi)軸承廠近些年也在重點(diǎn)搭建風(fēng)電試驗(yàn)臺,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,主要用于加載測試,測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)電軸承功能測試臺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)溫升測試。
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)廠對軸承應(yīng)用的控制要求,設(shè)計(jì)風(fēng)電軸承功能測試臺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量。
(3)軸承空轉(zhuǎn)溫升測試試驗(yàn)。
風(fēng)電軸承功能測試臺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)
測試系統(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)行存儲及處理形成圖文報(bào)告。
(1)徑向游隙測量原理
圖1所示為徑向游隙測量原理,通過液壓系統(tǒng),取180°對稱兩處,夾緊1、夾緊3交替加載夾緊一次后,由位移傳感器測量Δ;重復(fù)以上為夾緊2、夾緊4,由位移傳感器測量該處對應(yīng)的Δ。依次選取4處,測得4組位移數(shù)據(jù),對4組數(shù)據(jù)求平均值即為徑向游隙。
圖1 徑向游隙測量原理
(2)軸向游隙測量原理
圖2所示為軸向游隙測量原理,外環(huán)固定,通過對內(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)行測量,測量內(nèi)環(huán)相對于外環(huán)的4個(gè)位置的相對位移差值(Δ),對4個(gè)位移差值取平均值即為該軸承的軸向游隙值。
圖2 軸向游隙測量原理
將測試軸承放置在試驗(yàn)臺上,軸承的外圈或者內(nèi)圈固定,試驗(yàn)臺的旋轉(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)臂上的力傳感器對啟動(dòng)、旋轉(zhuǎn)過程的力矩進(jìn)行測試,再由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行記錄并存儲。
將測試軸承放置在試驗(yàn)臺上,軸承的外圈或者內(nèi)圈固定,試驗(yàn)臺的旋轉(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),利用溫度傳感器對軸承內(nèi)外圈的溫度進(jìn)行在線測試并記錄,運(yùn)轉(zhuǎn)至軸承溫度穩(wěn)定。
如圖3所示,XDSMB-01風(fēng)電軸承功能測試臺主要由裝配臺、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、游隙測量系統(tǒng)、力矩測量系統(tǒng)組成。
圖3 試驗(yàn)臺整體設(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)電軸承功能測試臺機(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)電軸承測試臺摩擦力矩及空轉(zhuǎn)測試
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)測試臺的旋轉(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)測測試過程中的力矩值,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。
圖5 轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)
(2)風(fēng)電軸承測試臺游隙的測量
通過兩組徑向推力加載裝置8測量徑向游隙。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,并顯示及存儲在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
通過4組軸向舉升加載裝置5測量軸向游隙。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,顯示并存儲在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
(3)風(fēng)電軸承測試臺溫升測試的實(shí)現(xiàn)
通過4組PT100溫度傳感器(磁性)測量軸承溫升。溫度傳感器分別安裝在測試軸承的內(nèi)圈及外圈的外圓上,信號接入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄存儲,動(dòng)圈上的溫度信號通過滑環(huán)9接入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄存儲。
XDSMB-01風(fēng)電軸承功能測試臺的游隙測量通過液壓裝置實(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及技術(shù)指標(biāo)如表2所示。
表2 液壓元器件選型
(1)電路系統(tǒng)
XDSMB-01風(fēng)電軸承功能測試臺的電路設(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MS-220STE-TL96015B-415P0-XJ交流伺服電機(jī),配合減速機(jī)箱型號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)測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺的轉(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。
測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于組態(tài)王6.55開發(fā)平臺,測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);測試系統(tǒng)按功能進(jìn)行分類:溫升測試、軸向游隙測試、徑向游隙測試、裝配功能;圖9所示為XDSMB-01風(fēng)電軸承功能測試臺測試溫升及摩擦力矩、游隙的可視化界面。
圖8 測試軟件邏輯框圖
圖9 測試系統(tǒng)主界面
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),提高了測試的精度并大幅提高了測試效率,XDSMB-01風(fēng)電軸承功能測試臺具備友好的人機(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)平臺及入廠檢測平臺,對提高產(chǎn)品的裝機(jī)可靠性有益處。