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风电实验台_图文

务I  

匐 化   

风 电转盘轴承综合性能实验 台的研制 
T  e e r h a d de e o he r s a c   n   v l pm e to    e t t n  o   l w i g b a i s a pl d n   fa t s   a d f rs e n   e rng   p i   s e i     i d t r n   e e a or n a w n   u bi e g n r t  

方成 刚 ,高学 海 ,王 华 ,黄筱 调 ,陈 捷 ,洪 荣晶  F G Ch n —a g GA   u —a, AN   e gg n , O X eh iWANG H a, A   a —io CH NJe H   u HU NGXioda , E  i, ONG R n -n    o gj g i
( 南京工业大学 机 电一体化研究所 ,南京 2 0 0 ) 1 0 9 

摘 要 :风 电转盘轴承的质量要求近乎苛刻 ,而且装机运行后一旦发生故障将导致 巨大的经济和社会  效益损失 ,转盘轴承在装机运行前应进行严格的 实验 ,确保转盘轴承装机后能够可靠地运 行。   目前 国内外都 很少有能够符合要 求的风 电转盘轴承实验台 , 本文从 加载 、 动、 驱 数采与控制等  方面介绍 了风 电转盘轴承实验台的开发 ,目前实验 台已在相关企业投入实验 ,效果良好。  
关键词 :风力发 电机 ;转盘轴承 ;实验台  中图分类号:T 1 3 H    3 文献标识码 :   B 文章编号 : 0 - 1 4 2 0 ) 1 0 2—0  1 9 0  ( 0 9 1 - 0 2 3 0 3  

0 引言 
环境 和能源 问题 日益严 重 ,风 电作 为一种 可再  生清 洁能源 受到 国 内外 的高 度重视 。转盘轴 承 ( 也  称 回转支 承 )是风 力发 电机 的核心部 件 ,广 泛应 用 
于 风力发 电机 的变桨 和偏航 系统 ,变 桨轴承 用于 连  接 轮毂和 叶片 ,偏航 轴承用 于连 接塔 筒和机 组 。   风 电转 盘轴承 由于其体 积 庞大和 安装位 置不 易 

特点模拟 较 大的径 向力 ,对产 品的 滚道综 合性 能作  检测, 但不 能对齿 圈 的齿根 弯 曲强度作 检 测【 I   5 MO ] 。 开 发的风 电转盘 轴承 实验 台可 以检 测转盘 轴承 的无 

载 启动性 能 , 滚道 硬 度 , 完成常规 的无 损检 测等 , 但 

载 荷 模 拟 功能 较 差 。斯 洛 文 尼 亚 Lu l n 大 学  】 j bj a a
长期 从 事 转 盘 轴 承 的 相关 研 究 ,开 发 了 一套 转 盘 
轴承 实 验 台 ,但 该 实验 台可 实验 产 品规格 较 4 I。 ,     法 国 L MT实 验 室开 发 的转 盘 轴 承 实验 台可 用于  G

拆 装 ,致使其 维修 的难度 非常 大 ,而且 转盘 轴承 一  旦 发生 故障 ,将 直 接影 响风 力 发 电机 的工 作性 能 ,  
甚 至造成 停机 。因此要 求风 电转盘 轴 承的使 用可 靠 

分 析 静 载 状 态 下 转盘 轴 承 的滚 道 及 安 装 螺 栓 的载  荷 分 布 ,不 能 驱 动转 盘 轴 承 对 其 滚 道 和 齿 圈作 性 
能实 验 _。 8  】

性 高 、 命长 , 寿 至少要 达到 风力发 电机 的使 用年 限 ,  
即2 0年 。   国内外许 多研究 者从 磨损 累积 、裂 纹形 成 与发 

本 文从 模拟 加载 、驱 动 系统 、信号 采集 与处理  等方面 介 绍了风 电转 盘轴承 实验 台的 开发 。实验 台  可 以模 拟风 电转盘 轴 承承受 的 巨大轴 向力 、径 向力  和倾 覆力矩 的组 合 ,检 测转盘 轴承 在无 载和 承载状 
态下 的启 动性 能 ,并 实时监 测加 载运 转过程 中回转  力矩 的变 化 。实 验 台还 可对 运转过 程 中转盘 轴承 的  振动特 性作 检测和 分析 , 估转 盘轴 承的使 用寿命 。 评  

展 等 角度对转 盘轴承 的寿命 作 了大量 研 究 钔 然 而  , 这 些研 究结论 大 多基 于大 量经 验数据 及 简化 , 于  对
风 力发 电机 的特 殊应 用场合 是否适 用还 有待实 验的  验 证 。企业 必须经 过大 量实 验 ,获 取 各 自产品综 合  性 能 的实验数 据 ,在 此基础 上结 合理 论分析 和参 数  修 正建立 适合 风 电转 盘轴 承设 计方法 。另外 ,提 供  可 信 、有说 服力 的产 品性能 实验数 据也 有利 于企 业 

1 实验 台开发 要求 
所设计 的转盘 轴承实 验 台能 够 完成包括 风 电转  盘轴 承在 内的不 同规 格转 盘轴 承综合 性能 实验 ,主  要 要求 :   1 能够 满足不 同规格滚 道 中心直 径的转 盘轴承  ) 的 加载 实验 ;  

提 升形 象和 产品的市 场竞 争力 。   风电转盘 轴承实 验 系统 是获得 产 品性 能数 据 的 
关键 ,某公 司专 门针对风 电转盘 轴承 开 发的实 验 台 

转盘 轴承竖 直安 装 ,可 以按照 风 电转 盘轴 承 的承载 

收 稿 日 期 2 9— 9— 1   00 0 1  基 金 项 目 江苏省工业装备数字制造 及控 制技 术重 点实验室高技术项 目 ( M20 21 ;   B 070 ) 安徽省科技攻关项 目 “ 大型风电 

回转支承研 究与开发 ”(8 12 15 ;南京工业大学学科基 金  0 0 0 0  ) 1 作吉简介:方成刚 (9 4一) 男 , 17 , 讲师,博士生 , 主要研究方 向为数控技术,目前从事转盘轴承数控加工设备和工艺的研究。  
【2  第 3 卷 2】 1 第 1期 1 20— 1 0 9 1 

参l  
2 )能 模拟 叶 轮 转动 过 程 中转 盘 轴 承 的 交替 载 
荷;  

匐 化   
保 液压 缸 输 出压 力在 实验设 定 范 围 。  
单 个 油缸 的液 压原 理如 图 2 示 ,液压 缸压 力  所

3 )检 测转 盘 轴 承 的 启动 力矩 、运 行 摩擦 阻 力 
矩 、滚道 温 度 、齿根 应力 ;  

由 P C通过 溢 流 阀 ( 1 L 1 )调 节 ,在 实验过 程 中液 压 
缸 的压 力 要保 持恒 定 。做 定 载荷 实验 之前 ,溢流 阀 

4 )可完 成转 盘轴 承加 速疲 劳 实验 。  

调 定 实验 压 力后 ,液 压泵 停 止工作 ,蓄 能器 提供 油 
缸 的保 压 性能 ,确保 液压 缸压 力恒 定 ,如果 由于 泄  露 等原 因导 致蓄能器 的工作性 能 已达不 到保压要 求 ,  
则 重新 启 动 电机驱 动 液压泵 ,对 系统补 压 。  

2 风 电转盘轴承综合性能实验台的研制 
21 实验 台整体 方案 设计  .
V 
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压力信号 


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1液 压 箱 ;2地精 度 过 滤 器 ;3温 度 计 ;4电机 及 液 压 泵 ;5单 向  . . . . . 阀 ;6球 型 阀 ;7 1 . 器 ;8 1. 力 表 ;9 8高 精 度 过 滤  . 、 2蓄能 、 6压 、1 . 器 ;1 . 向调 速 阀 ;l . 流 阀 ;1. 0单 1 溢 3电液 伺服 阀 ;l. 压 缸 ; 4液   1 . 力 传 感 器 ;1 . 热 器  5压 7散

图 1风 电转 盘 轴 承 实 验 台主 要 的组 成 及信 息 流 向 

整 个实验 台系统 由转 盘轴 承装 配 系统 、加载 系  统 、驱动 系统 、数 据采 集与处理 系统 等组 成 ,如 图 

1 示 。按 照设 计 要求 实验 台要能 够 实现 不 同规 格  所 的转 盘轴 承实 验 ,为 确保 实验 数 据的 可信 ,转盘 轴  承 的安 装应尽 量 符合 实际 情况 ,采 用螺栓 连 接法 兰  的方 式 安装 ,为此转 盘 轴承 分别 通过 上 、下 法兰 筒  与加 载 系统和 基 础连接 ,不 同规 格 的转盘 轴 承更换  不 同规格 的法 兰筒 。 础 通过地 脚 螺栓 与地基 固 定 , 基   加载 系统 也通 过 油缸 与基 础连 接 ,且 为保 证 液压加 

图 2 单 个 油缸 的 液压 原理 图 

23 驱 动系统  。
按 照 实验 台的 设计 要求 ,被 实验 转盘 轴承 能够  在 加载 情 况下 进行 加速 疲劳 实验 ,传 动 系统采 用小  齿 轮直 接 啮合 转盘 轴承 齿 圈 ,驱动 动 力 由低速 大扭  矩 液压 马达 提供 。为 实时 监 测实验 过程 中转 盘 轴承 
的回转 力矩 变化 情 况 , 压 马达 与小 齿轮 之 间连接  液 有扭 矩 传感 器 。   驱 动 系统 的液 压原 理如 图 3所 示 ,电磁 换 向阀 

载 系统能 够可 靠地 工作 ,要 确保 加载 系统 不 能随 着 
被实 验转 盘轴 承一 起转 动 ,为实 现加 载情 况下 转 盘 
轴承 能够 回转 运动 ,实 验时 采用 两套 同规 格 的转盘 

轴承 “ 背靠 背 ”安装 ,两套 转盘 轴承 的定 圈分别 用  螺栓 连接 上 、 下法 兰 筒 , 圈通过 螺栓 相 互连 接 。   动 由 于载 荷要 求较 大 , 要 求能够 模 拟叶 轮转 动 时的 交  且 替载 荷 ,实 验 台设计 采 用液压 加载 方 式 ,通过 P C L  控制 溢 流阀 实现加 载载 荷 的交 替变 化 。  

控 制转 盘 轴承 的 3 0 回转 ,Y 、Y O得 电分 别  6。 V9 VI
控 制转 盘轴 承 的正 、反 转 。  

2 数采与控制系统  . 4
根 据 实验要 求 ,实验 台要 能够 完成转 盘轴 承 刚 
度 、动 态阻 力矩 、寿命 、关 键位 置应 力等 测试 和分 

22 加 载 系统  .
所 有的载 荷通过 加 载 系统 实现 ,加 载 系统主 要  由径 向力加载 油缸 、 向力加载 油缸组 、 覆力矩 加  轴 倾 载油缸 组 、加 载盖等 组成 ,实验 台采用液压 缸加 载 。  
每个 油缸 的压 力 由 P C独立 控 制 , 实现 各种  L 可

析 。对 于载 荷 ,由于精 度 要求 不高 ,可通 过 测量 液 
压 油压 力 间接 测量 ,变形 测 量主 要指 内外 圈 间的相 

对 位移 ,可通 过 非接 触式 位移 传感 器 完成 。系统实 
时 记录 驱 动系统 扭 矩传 感器 的检 测 结果 ,通过 传动 

载 荷 的组 合 ,轴 向力和倾 覆 力矩 的两 对加 载 油缸组  保证 压 力同步 。每个 油缸 压 力 由软 件控 制 ,根 据 不  同的 实验 要求 可实现 不 同 的载荷 组合 ,油 缸 的输 出  压 力 经 由压 力 传感 器与 测控 系统 形成 一个 闭环 ,确 

比换 算 出转 盘轴 承 的实 验扭 矩 。转 盘 轴承 的寿 命通 
过 扭矩 、 动 、 损 、 振 磨 润滑 油温 等 综合 信 息评定 , 振 
动信 号 通过 加速 度 传感器 获 得 , 振动 信 号作 频谱  对

分析 可 获得 滚到 裂纹 、破损 等 信息 ,磨损量 和润 滑 
第3卷 1 第 1期 1 2 0 —1  [ 3  09 1 21

、 1  
~  

訇 化   
反 转 、油缸压 力 、载荷谱 、加载 时 间等。   US B总线连 接 的设备 支持 热插 拔 ,因此无 需将  P C关机 即可添 加或 删除 一个设 备; 总线也 具备 自动 
设 备检 测 , 因此无 需手动 配置 设 备 , 以即插 即用 。 可  











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一  ≯ 一  

US B总线 系统具 有 传输速 度快 ,与计算机 接 口方式  简单 , 插拔 方便 等许 多优 点 ,比传统 的 P I IA等  C 、S 总线更 容易 使用 ,所 以本 系统采 用 US B总线 系统 ,  
如图 4所示 。  

3 结论 
根 据本文讨论的 内容 , 南京工 业大学机电一体化 

研究所研制 出了国内第一 台风 电转 盘轴承实验 台 , 如  图5 所示为风 电转盘轴承实验 台现 场控制 系统照片 。  

图 5 风 电 转 盘 轴 承 实 验 台控 制 系统 及 实 验 时 界 面 
图 3 驱 动 系 统 的 液压 原 理 图 

实验 台在 相关企 业运 行状 况 良好 ,可 以实现 在  模拟 风 电转盘轴 承载 荷下 测试 转盘 轴承 的动态 阻力 
矩 、齿根 应力 、润 滑油 温 度 、振动 等性能 参数 ,同 

油温 度也 同时给 出转 盘 轴承 寿命 评 估 的辅 助信 息 。  
主要 待测量 如表 1 示 。 所  
表 l实验台系统的主要带测量 
实验项 目   测 量 名称  传 感器 

时 在数据 处理 模块 中通过 对 采集数 据 的分析 ,能 够  对 转盘轴 承 的寿命 和运 行状 态给予 一定 的评 价 。  

刚 度  动 态 阻力 矩 

力 测 量  力 矩 测试 
加 速 度 

压 力 传感 器  力 矩 传感 器 
加速 度 传 感器  

参考文献 :  
[ 1 兴 东 , 源, 爱 军 , . 型 回转 支 承 寿 命 预 测 方 法 的研  】王 刘 严 等大
究 [. J 湖北 工业 大 学 学报 ,062 () 33 . ] 2 0 ,1 : —6 33  
[】T. HarsM. Koz ls ln  e r ga ay i, f  d  2 A. ri, N. taa, l gb ai  n lss t e . Ro i n i f h [ . yo & F a csGr u ,0 6  M】 Ta lr rn i o p2 0 .   []R. n , Z r v i,.rbl rf aino u r a ee— 3 Ku cA.eo nkIPe iVe i t  f me c l tr   i c o n i d  
mi ai no  a r i g c p ct   f a g   l n   e i g   t   n t   f ry n   a a i o   r er l g b a n s h o c y l o i r wi

『 转盘轴承寿命 

磨损量 

位移传感器 

润 滑 油 温 度  铂 电 阻温 度 传 感 器 

I 齿根及螺栓应力  

应力  

应变片  

系统 的控制 量主 要包括 转盘 轴承 回转运 动 、加  载 等执行机 构 的相关 参数 ,主 要包括 回转 速度 、正 
信 号 调 理 机 箱  US 采 集 机 箱  B 加速 度 传 感 器 
  f

h re e   c w y J. tr a J u a o  a g e2 (0 7   ad n dr e a [ I en l o r l f t u  9 2 0 ) a ]n   n   F i
l 3 1 9. 91 — 91  

【】NW TC— r fc to   e m, iei gDG0   idtr ie 4 Cet iainT a Gud l   i n 3W n  ubn  
d s ny w & pthr ln  e rn  i [ , e i  a g i  ol gb aigl eR] c i f NRE 2 0 . L,0 0  工 控 机 

加 速 度 调  一  理 模 块 

UB S 机架 
模 拟 信 号采  集 模块 1  

[】www. te r ec r  teE d   lwigBern s pia  5 r h ed .o Roh   r eSe n   aig . l — o n Ap c
ton: i d Ene g   i W n  r y Tur i e . b n s 

位 移 变 送 器 

+  标 准 模 拟  信 号 输入 

模拟信号采  集模块2  

Lb i a v w  e 开 发 的 

【]WWW.omoc m  6 g i .o I MO e rn sfr n   r ie  b a g  o  dt bn s i wi u []SZ p nR. n ,.rbl x e me tl eemiaino a  7 .u a , Ku cI e iE p r na  tr n t  f — P , i d o d
m a  obe tn  a e a si  o ln  otton lc ne to   get  a g r c w y  nr li g r a i a  on ci ns i

扭矩变送器 L +  模 块  _ I
应变测量点 L +  变 电桥 谖  应 I  
理 模 块 

模拟信呼   采
集模块3   模拟信号采 
集模块4  

测控及 
分 析 软  件 

[ . x e me tl e h iu s / (0 6 3 - 6 J E p r na T c nq e , 42 0 ) 13 . 1 i   3  
[]Zo h i Ch i, anDade Di ti ea .ce b h vo  8 u ar abAli  ii, mi   ryS rw  e a ir   rL
i  r eda ee lwig b a ig a s mbl snu rc l n  x  nl g  im trse n  e rn  s e a i : me a  de — e i a

图 4 基 于 US 系统 的 数 据 采 集 与控 制 系统 硬 件 组 成  B 【 4  第 3 卷 2】 1 第 1期 1 20— 1 0 9 1 

p r na aa s [ . t   t at s nu . 0 7 1 1 1 e me t   l i JI  I e c De  i l y s ]n J n r   Ma f 2 0 ): — . n ( 2 3 



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