风力发电机刹车过程受力分析.docVIP

风机刹车过程的受力分析 摘要：本文从能量守衡的角度分析了风力发电机组刹车过程中传动系统的受力情况，得出计算分析变形能的方程，并提出了降低变形和应力集中的一些措施。 关键词：刹车 传动系统 能量守衡 变形能 刹车的作用机理： 风机的刹车过程从能量转换的角度看，是将旋转部件(风轮、齿轮、轴等)的动能转化为其他能量(如刹车片与刹车盘摩擦所产生的热)的过程，刹车过程传动系统(主轴、齿轮箱、联轴器、发电机等)在外力的作用下发生变形，这样一部分动能就以弹性变形能的形式储存传动系统中，当外力去除时，变形能又转化为功的形式，使风机产生晃动。 典型的失速型风机刹车布置如下图所示： 图1：风机传动系统示意图 变形能的大小实际上体现了应变的水平，根据广义虎克定律，应变与应力成正比。刹车过程中，如果传动系统产生的变形能集中在某一环节，则会引起局部应力过大，这对传动系统的寿命是非常不利的。 因此，分析了解刹车过程传动系统受力的变化，对于刹车系统、传动系统的优化设计是十分必要的。当然，最好是进行试验验证，这是验证风机设计是否达到目的的最可靠有效的方法。 刹车过程的力学方程及分析： 刹车过程的能量守衡方程： 在分析传动系统刹车过程受到的外力时，不考虑变化和影响相对较小的轴向力、重力及轴承支反力和传动摩擦等作用，只考虑叶尖刹车力矩Mtip、叶轮的气动力矩Mrotor、电机电磁阻力矩Mgen以及机械刹车的制动力矩Mb的影响。则合力矩： M=Mtip+Mb+Mgen-Mrotor ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．(1) 从刹车开始(t=0)到刹车结束(t=tend)，合力矩做的功： 一个旋转系统所具有的动能，对于失速型风机，由于系统的转动惯量中风轮占绝大部分，在简化计算时，我们可以认为： ．．．．．．．(2) 根据能量守衡定律，刹车过程的能量守衡方程为：E=P+U 即– P = - ．．．．．．．．．．．．．．．．．．(3) 刹车过程中的传动系统变形能方程： 如果将传动系统视为一个刚体，从公式(1)我们知道，随着转速的降低，作用力矩M随叶尖阻尼力矩Mtip下降逐渐减小，在转速为零时(刹车终止)突变为零。也就是说，刹车过程中传动系统承受的最大力矩出现在机械刹车作用时。 但从变形能的角度衡量最大作用力矩结论则完全不同。由于传动系统不是理论上的刚体，由于变形的存在，作用在传动系统上的力将出现不同的效果。 通过对式(3)进行求导，可以得出变形能出现最大值的必要条件。 ．．．．．．．．．(4) 由微积分的基本定理：如果函数f(x)在[a,b]上连续，则函数∫xaf(t)dt对积分上限x的导数等于被积分函数在上限x处的值。 可得 于是： 根据极值存在的必要条件：在点x0处有且=0, ≠0，若0,为极大值。 因此，当ω=0时，U＇=0，变形能最大。 也就是说：刹车过程中，传动系统最大变形能将出现在刹车过程停止的那一刻，相应此时主轴和齿轮箱承受最大应力。 变形能与扭矩的关系： 受扭矩的系统变形能可用公式（） ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．(5) 变形能在整个传动系统中的分布和影响是不一样的。相对而言，叶轮部分承受最多，但强度最高，主轴次之，高速轴和齿轮最少，但结构相对薄弱。在设计风机刹车的动作程序时，尽量使变形能出现在强度最高的叶轮部分，因此，叶尖刹车是风机最可靠和安全的刹车装置。另外增加一套低速轴机械刹车可减少主轴齿轮箱等传动环节的变形。 从式（5）可以看出：对于承受扭矩最大的主轴来说，降低Mn(与Mb有关)、适当增大主轴的长度l和减小极惯矩Ip(空心轴结构)是减小变形能的有效措施。 结论： 综上所述，可以得出以下结论： 提高传动系统的刚度虽然可以避免刹车过程中产生大的变形，但显然这不是一个经济的办法。应该根据刹车过程的受力特点，合理优化结构设计，避免因变形引起的应力过大。 叶尖刹车是风机最安全、对传动系统特别是齿轮箱传动冲击最小的刹车，设计时应采取手段最大限度地提高叶尖刹车的可靠性并优先采用叶尖刹车装置作为制动手段。 在满足安全的前提下，应降低机械刹车的制动力矩。 可以通过改变刹车加载的方式，提高外力的做功(主要是机械刹车的做功)，从而有效降低变形能的目的。 参考资料： Germanischer LIoyd Rules and Regulation 《Regulation for the certification of Wind Energy Conversion Systems》 chapter 1-10 1993 Edition+ 机械工程手册《基础理论》 机械工业出版社 第二版 风力发电机讲义 清华大学电机系 王叶滔 实用机械设计手册 中国农业机械出版社