本發(fā)明涉及三點支撐式風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)電機組中齒輪箱彈性支撐跨距的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

傳動鏈是風(fēng)力發(fā)電機組中最主要的機械部分，其主要功能就是將風(fēng)輪端捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，再由一系列機械部件進行傳遞后，在發(fā)電機中將機械能轉(zhuǎn)化為電能。而齒輪箱作為雙饋式風(fēng)力發(fā)電機組的一個重要的機械部件，主要是將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進行升速后傳遞給發(fā)電機，滿足發(fā)電機發(fā)電所需的轉(zhuǎn)速。齒輪箱通常通過彈性元件來進行支撐，安裝于主機架上，齒輪箱前端與主軸相聯(lián)，主軸則由主軸承支撐，其前端懸掛風(fēng)輪，因此整個風(fēng)輪的重量集中承載在主軸承與齒輪箱的兩個彈性支撐上，這種雙饋式風(fēng)力發(fā)電機組的支撐方式也即為三點支撐式，其中齒輪箱的兩個彈性支撐的距離即為跨距。

在假設(shè)齒輪箱支撐不會變形的條件下，其跨距與齒輪箱的橫向剛度成反比，而實際工作中齒輪箱支撐是彈性元件，受力必然變形，支撐的跨距一般分為兩種情況：第一種是剛性支撐和彈性齒輪箱，第二種是彈性支撐和剛性齒輪箱，風(fēng)機傳動鏈的真實工況中通常為第二種情形，即彈性支撐和剛性齒輪箱。針對三點支撐式風(fēng)電機組中齒輪箱彈性支撐之間的跨距，目前通常是通過傳統(tǒng)計算方法得到，如圖解法，或者根據(jù)相關(guān)參數(shù)和變量建立計算關(guān)系式，然后利用迭代法進行工程計算，求得最佳跨距。但是采用上述傳統(tǒng)計算方法、工程計算方法時，一方面齒輪箱雖然體積大、質(zhì)量高，而其箱體部分是殼結(jié)構(gòu)，計算跨距時均未考慮傳動鏈三點支撐的承載條件下存在變形的問題；另一方面，風(fēng)力發(fā)電機組傳動鏈系統(tǒng)是一個高速旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)，齒輪箱彈性支撐跨距與傳動鏈低階固有頻率強相關(guān)，計算跨距時均未考慮消除或避開低價固有頻率的問題，目前也僅是針對新的機型進行傳動鏈動力學(xué)計算，以驗證其在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是否存在共振的風(fēng)險，如果計算結(jié)果顯示傳動鏈某一部件在某轉(zhuǎn)速下存在共振風(fēng)險，則給出避開這一轉(zhuǎn)速的建議，并不能從跨距本身的設(shè)計上根本的解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)方法簡單、跨距設(shè)計合理以及優(yōu)化效率高的風(fēng)電機組中齒輪箱彈性支撐跨距的優(yōu)化方法，能夠避開傳動鏈的共振風(fēng)向，同時使得運動性能最佳。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種風(fēng)電機組中齒輪箱彈性支撐跨距的優(yōu)化方法，步驟包括：

1）根據(jù)目標風(fēng)電機組的初始參數(shù)，基于多體動力學(xué)建立包含齒輪箱模型的風(fēng)電機組傳動鏈模型，所述初始參數(shù)包括齒輪箱彈性支撐的跨距的初始取值；

2）不斷調(diào)整所述風(fēng)電機組傳動鏈模型中所述跨距的取值，且每次調(diào)整時進行模態(tài)、時域分析，使得調(diào)整后能夠避開所述模態(tài)、時域分析所得到的潛在共振頻率，輸出調(diào)整后所述風(fēng)電機組傳動鏈模型；

3）不斷對調(diào)整后所述風(fēng)電機組傳動鏈模型中所述跨距的取值進行微調(diào)優(yōu)化，使得所述風(fēng)電機組傳動鏈模型中傳動鏈的運行特性最佳，得到最佳跨距取值輸出。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟2）中具體通過獲取跨距取值與潛在共振頻率的關(guān)系確定調(diào)整的目標跨距取值，以使得能夠避開所述模態(tài)、時域分析所得到的潛在共振頻率。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述獲取跨距取值與潛在共振頻率的關(guān)系的具體步驟為：

2.1）對所述風(fēng)電機組傳動鏈模型進行模態(tài)和時域分析，分析是否有潛在共振頻率，如果有，根據(jù)所述初始參數(shù)所對應(yīng)的理論跨距取值范圍，調(diào)整所述風(fēng)電機組傳動鏈模型中所述跨距的取值，輸出當前跨距取值所對應(yīng)的潛在共振頻率，返回執(zhí)行步驟2.1）；否則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟2.2）；

2.2）由所述步驟2.1）得到的不同跨距取值時所對應(yīng)的潛在共振頻率，獲取跨距取值與潛在共振頻率的關(guān)系。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟2）中具體通過模態(tài)分析結(jié)果中坎貝爾圖、模態(tài)能量分布、激勵頻率范圍，以及時域分析結(jié)果分析潛在的共振頻率。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟2）中具體由模態(tài)分析結(jié)果中低頻區(qū)域的模態(tài)頻率和振型分析潛在的共振頻率。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟3）的具體步驟為：根據(jù)所述初始參數(shù)所對應(yīng)的理論跨距取值范圍，不斷對所述調(diào)整后風(fēng)電機組傳動鏈模型中所述跨距的取值進行微調(diào)優(yōu)化，并分析不同跨距取值時所述風(fēng)電機組傳動鏈模型中傳動鏈的運行特性；根據(jù)不同跨距取值時所述傳動鏈的運動特性確定最終跨距取值，使得傳動鏈的運行特性最佳，由最終跨距取值作為最佳跨距取值輸出。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述傳動鏈的運行特性具體通過提取所述風(fēng)電機組傳動鏈模型中齒輪箱箱體、齒輪箱高速軸的振動速度值和加速度值得到。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟1）中具體利用多體動力學(xué)軟件Simpack建立風(fēng)電機組傳動鏈模型。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述風(fēng)電機組傳動鏈模型中，齒輪箱的箱體以及齒輪箱內(nèi)部主要部件采用柔性體建模。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述柔性體建模時，控制齒輪箱所對應(yīng)的柔性體的第一階扭轉(zhuǎn)、彎曲模態(tài)頻率與齒輪箱原模型之間的誤差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1）本發(fā)明通過基于多體動力學(xué)建立模型，能夠構(gòu)建得到高精度的風(fēng)電機組傳動鏈模型以及齒輪箱模型，保證跨距設(shè)計的合理性；基于建立的模型，通過模態(tài)分析調(diào)整模型中跨距的取值使得能夠避開潛在共振頻率，從跨距設(shè)計本身根本上解決了潛在共振頻率問題，有效避開低頻共振風(fēng)險，同時結(jié)合對調(diào)整后模型跨距進行微調(diào)優(yōu)化，使得傳動鏈的運行特性最佳，提高了風(fēng)機傳動鏈的動力學(xué)性能，減小風(fēng)機運行時的振動幅值，從而能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)固性、延長使用壽命；

2）本發(fā)明基于建立的風(fēng)電機組傳動鏈模型，通過先調(diào)整跨距使得避開共振頻率，再進行微調(diào)使得傳動鏈的運行特性最佳，能夠有效減少共振風(fēng)險、提高運動性能的同時，快速的獲取得到最佳跨距取值，提高跨距優(yōu)化設(shè)計的效率；

3）本發(fā)明進一步通過不斷調(diào)整風(fēng)電機組傳動鏈模型中跨距取值，由模態(tài)分析獲取跨距取值與潛在共振頻率的關(guān)系，由跨距取值與潛在共振頻率的關(guān)系來研究傳動鏈潛在共振頻率的變化趨勢，基于共振頻率的變化趨勢選擇跨距值，可以得到合理的跨距取值以消除或避開共振風(fēng)險；

4）本發(fā)明進一步通過對調(diào)整后風(fēng)電機組傳動鏈模型中跨距的取值進行微調(diào)，由不同跨距取值時傳動鏈的運動特性，可以準確得到使得傳動鏈運動特性最佳的最佳跨距取值，從而保證傳動鏈的運動性能。

附圖說明

圖1是本實施例風(fēng)電機組中齒輪箱彈性支撐跨距的優(yōu)化方法的實現(xiàn)流程示意圖。

圖2是本實施例中基于多體動力學(xué)的齒輪箱模型的拓撲結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖3是本實施例中基于多體動力學(xué)的風(fēng)電機組傳動鏈模型的拓撲結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖4是本發(fā)明具體實施例中齒輪箱彈性支撐跨距的優(yōu)化方法的實現(xiàn)流程示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，本實施例風(fēng)電機組中齒輪箱彈性支撐跨距的優(yōu)化方法，步驟包括：

1）根據(jù)目標風(fēng)電機組的初始參數(shù)，基于多體動力學(xué)建立包含齒輪箱模型的風(fēng)電機組傳動鏈模型，初始參數(shù)包括齒輪箱彈性支撐的跨距的初始取值；

2）不斷調(diào)整風(fēng)電機組傳動鏈模型中跨距的取值，且每次調(diào)整時進行模態(tài)、時域分析，使得調(diào)整后能夠避開模態(tài)、時域分析所得到的潛在共振頻率，輸出調(diào)整后風(fēng)電機組傳動鏈模型；

3）不斷對調(diào)整后風(fēng)電機組傳動鏈模型中跨距的取值進行微調(diào)優(yōu)化，使得風(fēng)電機組傳動鏈模型中傳動鏈的運行特性最佳，得到最佳跨距取值輸出。

本實施例通過基于多體動力學(xué)建立模型，能夠構(gòu)建得到高精度的風(fēng)電機組傳動鏈模型以及齒輪箱模型，保證跨距設(shè)計的合理性；基于建立的模型，通過模態(tài)分析調(diào)整模型中跨距的取值來改變低階模態(tài)頻率，使得能夠消除或避開潛在共振頻率，從跨距設(shè)計本身根本上解決了潛在共振頻率問題，有效避開低頻共振風(fēng)險，同時結(jié)合對調(diào)整后模型跨距進行微調(diào)優(yōu)化，使得傳動鏈的運行特性最佳，提高了風(fēng)機傳動鏈的動力學(xué)性能，減小風(fēng)機運行時的振動幅值，從而能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)固性、延長使用壽命。

本實施例基于建立的風(fēng)電機組傳動鏈模型，通過先調(diào)整跨距使得避開共振頻率，再進行微調(diào)使得傳動鏈的運行特性最佳，能夠有效減少共振風(fēng)險、提高運動性能的同時，快速的獲取得到最佳跨距取值，提高跨距設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計效率。

本實施例中，步驟1）中具體利用多體動力學(xué)軟件Simpack建立風(fēng)電機組傳動鏈模型，Simpack作為風(fēng)電領(lǐng)域的專業(yè)動力學(xué)仿真軟件，其采用靈活的剛-柔耦合建模方法，且與ANSYS有限元軟件有良好接口，以及模塊化后處理程序，便于模型的修正和調(diào)整之后進行校核。本實施例具體利用Simpack按照GL2010（Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010）等相關(guān)標準或規(guī)范建立包含齒輪箱模型的風(fēng)電機組傳動鏈模型，齒輪箱模型以及風(fēng)電機組傳動鏈模型如圖2、3所示，齒輪箱的箱體以及齒輪箱內(nèi)部主要部件（如軸、行星架、大的齒輪）采用柔性體建模，力元FE5、FE41、FE43、FE225、FE242分別為阻尼力元、軸承力元、脹緊套力元、齒輪嚙合力元、花鍵力元，齒輪與軸之間為0自由度固接，軸的安裝放開6自由度，使用軸承力元進行約束。柔性體建模通過有限元軟件進行子結(jié)構(gòu)分析，將原模型的質(zhì)量和剛度矩陣進行壓縮而形成，形成后的柔性體通過若干主節(jié)點的自由度來替代原模型的動力學(xué)特性，因此主節(jié)點的位置和數(shù)量是影響柔性體建模準確性的關(guān)鍵。本實施例柔性體建模中，根據(jù)與整個系統(tǒng)模型的接口選擇主節(jié)點位置和數(shù)量，同時最大限度地保證重要模態(tài)頻率與原模型的一致性，以及減小其他低階模態(tài)頻率（如拉伸等）的誤差。

本實施例中，柔性體建模時，控制齒輪箱所對應(yīng)的柔性體的第一階扭轉(zhuǎn)、彎曲模態(tài)頻率與齒輪箱原模型之間的誤差在預(yù)設(shè)范圍（本實施例具體取5%）內(nèi)，保證齒輪箱內(nèi)部柔性體建模的精度。本實施例具體對于一般的旋轉(zhuǎn)類結(jié)構(gòu)，如軸、齒輪等，主節(jié)點位置和數(shù)量的選擇時均保證柔性體的第一階扭轉(zhuǎn)、彎曲模態(tài)頻率與原模型的誤差控制在5%以內(nèi)。

通過上述建模，即可基于多體動力學(xué)，建立得到高精度的齒輪箱模型以及風(fēng)電機組傳動鏈模型，以基于建立的模型對跨距進行進一步設(shè)計。當然在其他實施例中，也可以根據(jù)實際需求選擇其他基于多體動力學(xué)的建模方式。

本實施例中，步驟2）中具體通過獲取跨距取值與潛在共振頻率的關(guān)系確定調(diào)整的目標跨距取值，以使得能夠避開模態(tài)、時域分析所得到的潛在共振頻率。通過模態(tài)分析不同跨距取值時潛在共振頻率，獲取跨距取值與潛在共振頻率的關(guān)系，即得到傳動鏈低階固有頻率與跨距的相關(guān)性，從而研究傳動鏈潛在共振頻率的變化趨勢，基于共振頻率的變化趨勢選擇跨距值，可以得到合理的跨距取值以消除或避開共振風(fēng)險。

本實施例中，獲取跨距取值與潛在共振頻率的關(guān)系的具體步驟為：

2.1）對風(fēng)電機組傳動鏈模型進行模態(tài)和時域分析，分析是否有潛在共振頻率，如果有，根據(jù)初始參數(shù)所對應(yīng)的理論跨距取值范圍，調(diào)整風(fēng)電機組傳動鏈模型中跨距的取值，輸出當前跨距取值所對應(yīng)的潛在共振頻率，返回執(zhí)行步驟2.1）；否則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟2.2）；

2.2）由步驟2.1）得到的不同跨距取值時所對應(yīng)的潛在共振頻率，獲取跨距取值與潛在共振頻率的關(guān)系。

本實施例預(yù)先根據(jù)傳動鏈的設(shè)計參數(shù)，在整機初步設(shè)計階段通過理論計算獲得跨距值可取范圍；步驟2）執(zhí)行調(diào)整時，在理論跨距取值范圍內(nèi)調(diào)整風(fēng)電機組傳動鏈模型中齒輪箱彈性支撐跨距的取值，并進行多體動力學(xué)仿真，計算不同跨距取值下潛在共振頻率，獲取跨距取值與潛在共振頻率的關(guān)系。本實施例具體根據(jù)不同跨距取值時潛在共振頻率數(shù)據(jù)繪制跨距-潛在共振頻率走勢圖，可以直觀的獲取潛在共振頻率的變化趨勢，便于跨距的合理取值。

本實施例中，步驟2）中具體通過Simpack對建立的風(fēng)電機組傳動鏈模型進行進一步的模態(tài)和時域分析，可以簡單、高效的獲取模態(tài)和時域分析結(jié)果。本實施例進行模態(tài)和時域分析時，具體通過模態(tài)分析結(jié)果中坎貝爾（Campbell)圖、模態(tài)能量分布、激勵頻率范圍，以及時域分析結(jié)果分析潛在共振頻率。通過頻域下的模態(tài)分析結(jié)果以及時域下的各部件運動分析結(jié)果共同判斷潛在共振頻率是否會激起共振，有效篩選出或排除掉會引起共振的危險頻率。

本實施例中，步驟2）中具體由模態(tài)分析結(jié)果中低頻區(qū)域的模態(tài)頻率和振型分析潛在共振頻率。針對齒輪箱彈性支撐跨距與傳動鏈穩(wěn)定性之間的關(guān)系，兆瓦級雙饋風(fēng)電機組的傳動鏈固有頻率一般在1.5Hz左右，因此可以將中低頻區(qū)域作為分析潛在共振頻率時重點關(guān)注的對象。高頻區(qū)能量主要集中在齒輪箱軸系和齒輪，更改彈性支撐跨距對齒輪箱內(nèi)部零件的影響并不明顯。另外，根據(jù)傳動鏈的模態(tài)頻率和振型可以高效的查找到潛在共振頻率。在分析時具體可將頻率考慮范圍擴展到第二速度級（齒輪箱第二級輪系）、第三速度級（齒輪箱第三級輪系）轉(zhuǎn)頻和齒輪嚙合頻率的3倍。

本實施例中，步驟3）的具體步驟為：根據(jù)初始參數(shù)所對應(yīng)的理論跨距取值范圍，不斷對調(diào)整后風(fēng)電機組傳動鏈模型中跨距的取值進行微調(diào)優(yōu)化，并分析不同跨距取值時風(fēng)電機組傳動鏈模型中傳動鏈的運行特性；根據(jù)不同跨距取值時傳動鏈的運動特性確定最終跨距取值，使得傳動鏈的運行特性最佳，由最終跨距取值作為最佳跨距取值輸出。通過進一步對調(diào)整后風(fēng)電機組傳動鏈模型中跨距的取值進行微調(diào)，由不同跨距取值時傳動鏈的運動特性確定最終跨距取值，可以準確得到使得傳動鏈運動特性最佳的最佳跨距取值，從而保證傳動鏈的運動性能。

本實施例中，傳動鏈的運行特性具體通過提取風(fēng)電機組傳動鏈模型中齒輪箱的箱體、齒輪箱的高速軸的振動速度值和加速度值得到，即由齒輪箱中箱體、高速軸的運動狀態(tài)得到傳動鏈的運行特性。本實施例具體通過對風(fēng)電機組傳動鏈模型進行動力學(xué)分析，提取齒輪箱的箱體、高速軸的振動速度和加速度值，基于提取到的數(shù)據(jù)即可得到不同跨距取值時齒輪箱上述部件的振動速度和加速度值的變化趨勢，振動速度、加速度的變化趨勢即對應(yīng)傳動鏈的運動特性變化趨勢，從而由不同跨距取值時齒輪箱的箱體、高速軸的振動速度值與加速度值即可確定得到傳動鏈運動性能最佳所對應(yīng)的跨距取值，即為最佳跨距取值，至此完成跨距的優(yōu)化設(shè)計。

如圖4所示，本發(fā)明具體實施例中實現(xiàn)齒輪箱彈性支撐跨距的優(yōu)化設(shè)計時，首先由設(shè)計初期的傳動鏈各部件的模型和參數(shù)在Simpack軟件上，基于多體動力學(xué)建立包括齒輪箱模型的風(fēng)電機組傳動鏈模型，其中建模時齒輪箱柔性體的第一扭轉(zhuǎn)、彎曲模態(tài)頻率的誤差控制在5%以內(nèi)，由初始參數(shù)計算得到理論最大跨距和理論最優(yōu)跨距；然后對建立的傳動鏈模型進行動力學(xué)計算分析，通過模態(tài)、時域分析模型中傳動鏈各部件在低頻是否有潛在共振頻率，如果有，則通過根據(jù)理論跨距取值優(yōu)化調(diào)整模型中跨距取值以調(diào)整潛在共振部件低階模態(tài)頻率，重復(fù)執(zhí)行上述對傳動鏈模型進行動力學(xué)計算分析是否有潛在共振頻率，直至經(jīng)過不斷的反復(fù)調(diào)整后，傳動鏈各部件均不存在低頻潛在共振頻率；再根據(jù)理論跨距取值范圍對傳動鏈模型中跨距進一步進行不斷的反復(fù)微調(diào)，微調(diào)過程中對傳動鏈模型進行動力學(xué)計算校核，即由齒輪箱箱體高速軸等部件的振動情況判斷傳動鏈運動特性是否最佳，達到最佳運動特性即完成優(yōu)化設(shè)計。

本實施例上述方法可適用于對風(fēng)力發(fā)電機組中傳動鏈齒輪箱彈性支撐的跨距進行設(shè)計優(yōu)化，也可用于聯(lián)合風(fēng)機故障診斷技術(shù)對風(fēng)機傳動鏈振動的故障進行排查，如對于發(fā)生傳動鏈異常振動的風(fēng)機，發(fā)生諸如彈性支撐老化過快、發(fā)電機振動過大、齒輪箱斷齒等問題，可通過在故障風(fēng)機上安裝振動傳感器等設(shè)備檢測引發(fā)故障的危險頻率，并利用上述方法在多體動力學(xué)模型中進行仿真，對比模態(tài)分析中此故障頻率下的模態(tài)振型，以研究危險頻率的觸發(fā)條件和影響，與實際情況對比進行驗證。

上述只是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應(yīng)落在本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。