一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法技术方案

本发明专利技术公开了一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法，基于弗劳德相似理论，对风力发电机作为缩比模型的等效对象；对风力发电增速系统的主要零部件通过Creo软件进行三维实体建模；将建立的风电增速系统的等效缩比模型导入ABAQUS机械系统中；依据风电增速系统的拓扑结构，得到风电增速系统的刚体模型；对风电增速系统中相应的轴承部件进行等效替代，得到风电增速系统的有限元模型，采用Lanczos算法对其进行动态特性仿真分析计算，获得风电增速系统的固有频率和模态振型；本发明专利技术省去了按原型机的同等规模搭建试验仿真平台代价昂贵、效率低下的问题，将为风力发电机增速箱的结构优化和性能评估提供依据。

An equivalent shrinkage model of wind power growth system and its dynamic characteristic simulation method

The invention discloses a ratio model and dynamics simulation method of shrink an equivalent wind turbine system, similar to Froude based on the theory of wind power generator as the scaled equivalent object model; the main components of the wind power generation growth system for 3D solid modeling by Creo software; than the model into the ABAQUS system in mechanical contraction of equivalent wind power the growth rate of the system will be established; according to the topological structure of wind turbine system, get wind power growth rigid model system; equivalent replacement of bearing parts corresponding wind turbine system, the finite element model of wind power growth system, Lanczos algorithm is used to analyze the dynamic characteristics of the simulation, get wind power the growth rate of the system's natural frequency and modal shape; the invention saves the same size according to the prototype test simulation platform is expensive, The problem of low efficiency will provide the basis for the structure optimization and performance evaluation of the wind turbine generator.

【技术实现步骤摘要】
一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法
本专利技术涉及风力发电机
，具体而言，涉及一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法。
技术介绍
风能作为一种无污染的可再生能源，取之不尽、用之不竭。随着生态环境的要求和能源的需求，这种新能源越来越受到世界各国的重视。根据国家能源局的统计数据，我国2016年全年新增装机容量1.93×104MW，累计装机容量达到1.69×105MW，风力发电已经成为解决能源问题的一种必要手段。风电增速箱的主要作用，是将风轮的大扭矩、低转速输入转化成发电机的低扭矩、高转速输出，以实现整个风机系统的动力匹配。因此，增速箱是风电机组中最关键的组成部件之一。由于风电增速箱常年经受无规律的风力冲击，并且位于几十米以上的高空运行，长时间处于野外无人值守的状态，从而导致增速箱的故障率突出，一旦出现故障，维修难度极大。由于风电增速箱测试困难，采用理论方法或数值仿真，成为解析此类设备动态行为的可靠手段。WeiShi等建立了风力发电机组传动链纯扭转的数学模型，采用直接积分法求解方程，获得了传动系统的动态响应；CaichaoZhu等建立了一个具有柔性销的风机齿轮箱模型，行星轮系中，太阳轮浮动，行星轮采用柔性销支撑，其结果表明在风机齿轮箱中柔性销结构可以提高行星轮的均载特性；陈会涛等建立了风力发电机行星齿轮传动系统的纯扭转动力学模型，研究了齿轮综合传递误差的随机波动对传动系统动力学特性的影响；张浬萍等根据风力机相关理论建立了风电机组的整机运动模型，并在随机风速下进行整机运行仿真，从而获得风电齿轮箱的外部载荷。因此有必要对其进行动力学仿真分析，其研究结果可以为齿轮增速箱结构的优化设计以及故障预知预防提供重要的理论基础。随着风力发电机的单机功率不断提高，机组设备日趋大型化和复杂化。在机组的原理设计或分析阶段，如按原型机搭建同等规模的试验平台，不仅造价高昂、成本不菲，更为关键的，这类平台只能针对单一型号的设备，其结果多不具备普遍性和推广价值。针对上述问题，本专利技术利用某行星轮系和平行轴齿轮箱的基本配置，建立了一套可用于模拟风力发电机真实增速箱的等效缩比模型。
技术实现思路
针对相关技术中存在的问题，本专利技术的主要目的在于提供一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法，为风电增速箱结构的优化设计以及故障预知预防提供理论基础。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是:一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法,包括如下步骤：(1)首先，基于弗劳德相似理论，依据功率为750kW风力发电机作为缩比模型的等效对象，根据相似度计算，选择用NGW21型行星轮系与QPZZ-II平行轴传动齿轮箱配置方案来建立缩比模型；(2)其次，对风力发电增速系统的主要零部件通过Creo软件进行三维实体建模；(3)再次，将建立的风电增速系统的等效缩比模型导入ABAQUS机械系统中，根据ABAQUS机械系统分析的需要，设置风电增速系统各部件的物理属性；(4)然后，依据风电增速系统的拓扑结构，设置风电增速箱各部件之间的约束和接触关系，得到风电增速系统的刚体模型；(5)最后，对风电增速系统中相应的轴承部件进行等效替代，得到风电增速系统的有限元模型，利用线性摄动分析步分析，采用Lanczos算法对其进行动态特性仿真分析计算，获得风电增速系统的固有频率和模态振型；Creo软件进行三维实体建模包括风力发电机增速箱的太阳轮轴、行星轮、行星架、内齿圈、低速级输入轴、高速级输出轴。其中，内齿圈固定，行星架为输入，太阳轮轴为输出。在ABAQUS机械系统中，根据风电增速系统各部件的相互运动关系，通过定义材料性能、施加约束、作用力、相互运动关系、划分有限元网格完成风电增速系统的有限元分析建模。风电增速系统的有限元模型中轴承部件用ABAQUS软件里面的弹簧单元替代。本专利技术利用相似理论将风电增速箱转化为等效的缩比模型，并且对其进行动力学仿真分析，获得风电增速箱的固有频率和振型，从而省去了按原型机的同等规模搭建试验仿真平台代价昂贵、效率低下的问题，该方案不仅大幅提高数值仿真的计算效率，而且便于实现试验验证，将为风力发电机增速箱的结构优化和性能评估提供依据。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术提供的NGW21行星齿轮箱传动系统的结构简图。图2为本专利技术提供的NGW21行星齿轮箱各个零件三维实体模型及其装配模型，各个零件名称依次为太阳轮轴、行星轮、内齿圈、曲面端盖、端盖1、端盖2、箱体、行星架。图3为本专利技术提供的QPZZ-II平行轴传动齿轮箱各个零件三维实体模型及其装配模型。各个零件名称依次为小齿轮、大齿轮、输入轴、输出轴、上箱体、下箱体。图4为本专利技术提供的基于相似理论建立的模拟风电增速系统的等效缩比模型。图5为本专利技术所涉增速箱缩比模型有限元仿真时轴承的等效替代示意图。图6为本专利技术提供的增速箱缩比模型的有限元模型。图7为本专利技术提供的增速箱缩比模型的前8阶固有振型图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步说明。一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法,本专利技术提供的技术方案是：(1)基于弗劳德相似理论，选择功率为750kW风力发电机作为缩比模型的等效对象，根据相似度计算，用NGW21型行星轮系与QPZZ-II平行轴传动齿轮箱配置方案来建立缩比模型；(1.1)在建立如图4所示的等效缩比模型之前，需要对NGW21和QPZZ-II轮系负载关系进行计算。具体的，由于NGW21和QPZZ-II两款试验台均为减速器，驱动电机位于高速端，为了模拟风电齿轮箱的真实工作特性，本专利技术在仿真模型中将二者均作为增速箱使用。NGW21型行星齿轮减速器的基本参数为：额定功率为4KW，额定转速为1440r/min，转矩计算公式：据此可计算得到行星轮系高速端的额定扭矩为Te＝26.528N·m；QPZZ-II试验台电机的额定功率为0.75kW，转速为75～1450r/min，由公式计算可得平行轴传动齿轮箱的输入端(即模拟增速箱的输出端)的转矩范围为T入＝5.1～95.5N·m，平行轴传动齿轮箱的传动比i＝1.364，输出端(即模拟增速箱中平行齿轮箱的输入端)的转矩范围为T出＝6.95～130.23N·m。NGW21型行星轮系输入端(即模拟增速箱中行星轮系的输出端)转矩为26.528N·m，介于6.95～130.23N·m之间。因此，将NGW21行星轮系与QPZZ-II平行轮系相互耦合，二者的负载关系是能够匹配的。(1.2)为了建立如图4所示正确的等效缩比模型，依据风机实际工况结合风电相似理论，确定以弗劳德风电相似理论进行相似计算。根据相似理论，风力机缩比模型和原型应该同时满足几何近似，运动相似和动力相似。三种相似以长度比例尺kl、速度比例尺kv、密度比例尺kρ为基本比例尺，其余参数可以根据基本比例尺建立比例换算关系，具体内容如下：角速度比例尺：运动粘度比例尺：力矩比例尺：动力粘度比例尺：针对风力发电机，需要重点突出几何相似和动力相似等对流态起决定性作用的相似条件。目前，可供选择的近似模型法主要有三种，即弗劳德模型法、雷诺模型法、欧拉模型法。所述弗劳德模型法是以重力相似为主要因素的近似模型法。其相似准则如式所示：式中k本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，(1)首先，基于弗劳德相似理论，依据功率为750kW风力发电机作为缩比模型的等效对象，根据相似度计算，选择用NGW21型行星轮系与QPZZ‑II平行轴传动齿轮箱配置方案来建立缩比模型；(2)其次，对风力发电增速系统的主要零部件通过Creo软件进行三维实体建模；(3)再次，将建立的风电增速系统的等效缩比模型导入ABAQUS机械系统中，根据ABAQUS机械系统分析的需要，设置风电增速系统各部件的物理属性；(4)然后，依据风电增速系统的拓扑结构，设置风电增速箱各部件之间的约束和接触关系，得到风电增速系统的刚体模型；(5)最后，对风电增速系统中相应的轴承部件进行等效替代，得到风电增速系统的有限元模型，利用线性摄动分析步分析，采用Lanczos算法对其进行动态特性仿真分析计算，获得风电增速系统的固有频率和模态振型。

【技术特征摘要】
1.一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，(1)首先，基于弗劳德相似理论，依据功率为750kW风力发电机作为缩比模型的等效对象，根据相似度计算，选择用NGW21型行星轮系与QPZZ-II平行轴传动齿轮箱配置方案来建立缩比模型；(2)其次，对风力发电增速系统的主要零部件通过Creo软件进行三维实体建模；(3)再次，将建立的风电增速系统的等效缩比模型导入ABAQUS机械系统中，根据ABAQUS机械系统分析的需要，设置风电增速系统各部件的物理属性；(4)然后，依据风电增速系统的拓扑结构，设置风电增速箱各部件之间的约束和接触关系，得到风电增速系统的刚体模型；(5)最后，对风电增速系统中相应的轴承部件进行等效替代，得到风电增速系统的有限元模型，利用线性摄动分析步分析，采用Lanczos...

【专利技术属性】
技术研发人员：张侣倛，张建宇，杜晓钟，胥永刚，吴帅刚，贾奇峰，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11