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基于SIMPACK与ABAQUS的风机传动链动
力学联合仿真研究
杨柳、吕杏梅
中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部
0引言
风电机组传动系统是风力发电机的重要组成部分,随着风电机组单机容量的不断提高,
其传动系统的扭振、部件共振现场日益突出,因此建立风机传动系统高精度动力学模型和动
态分析是风电机组设计、控制和故障诊断的关键。
风力发电机传动链的动力学行为是确定设计载荷和校核零部件的重要因素,本文从多体
动力学(MBS)角度出发,结合转子动力学、模态理论,以SIMPACK专业动力学软件作为
仿真平台,联合ABAQUS子结构分析处理轴类、行星架等零件,生成柔性体超单元,建立
高精度整机传动链动力学模型,分析系统运行时的特征频率,评估传动链的动力学行为以及
传动链的共振特性。
1风机传动链动力学模型
1.1传动链模型结构简述
本文分析对象为双馈风力发电机组传动链系统,其结构拓扑图如图1所示:
图1传动链拓扑图
传动链系统总成由叶轮、主轴、齿轮箱、联轴器、发电机、主机架组成,另外还考虑齿
轮箱和发电机的弹性支撑以及主轴轴承、主轴涨紧套等连接。系统功率是由叶轮捕获风能产
生的转矩,经主轴传递至齿轮箱提升转速,通过联轴器最终传递至双馈发电机转子,完成风
能-机械能-电能的转化。
1.2柔性体建模
柔性体模型可描述成两组自由度:边界自由度和内部自由度。下式描述了原始模型和超
单元模型的自由度关系
qBqB
I0
[ΦCΦN][
qI]=[p]
式中qB——边界自由度向量;
qI——内部自由度向量;
T
[ΦCT]
——约束静力模态矩阵;
ΦN——正则模态矩阵;
p——保留正则模态向量;
风机传动链系统的主要激励源是轴转频和齿轮箱轮齿啮合的动态激励,这些激励通过齿
轮、轴、轴承等部件传递给传动链各部件,使其发生共振,并辐射噪声。为计算风机传动链
系统激励,分析各部件振动能量,本文采用多体动力学建模,结合转子动力学方法对系统动
态激励进行求解。
传动链系统中三维转动模型轴类部件以及齿轮箱行星架使用体单元(六面体、棱柱或四
面体)建立有限元模型,简化的刚度、质量、阻尼矩阵和载荷向量描述了子结构,再通过
ABAQUS软件处理成超单元,生成具备约束模态——静力变形和正则振动模态——动态变
形的柔性体,其中有限元模型如图2所示。
图2部分柔性体模型(主轴、齿轮箱行星架、齿轮箱高速轴)
1.3连接件建模
连接转动部件和固定部件或者连接不同旋转零件的结构即为连接部件。连接部件建模的
简单方法是使用广义刚度和阻尼矩阵,这种方法对线性连接部件是有效的,系数会随着旋转
速度、时间和频率变化。
假设阻尼是粘性的,相应的作用力可以表示成如下方程
f=(K+K(p))q+(B+B(p))q?
当阻尼是滞后的,相互作用力采用以下复杂形式表述
f(ω)=(K+K(p))q(ω)+j(B+B(p))q(ω)
在时域里,p是时间或轴承的旋转速度;在频域里,p是频率或轴承的旋转速度。这种
模型一般满足初步设计,并且用来描述滚动轴承、滑动轴承、涨紧套或者密封。当洗漱随着
旋转速度改变时,它们在平衡点附近也符合切线刚度和阻尼系数。
图3某兆瓦级双馈机型传动链动力学模型
本文中主轴轴承与齿轮箱轴承均采用6×6刚度矩阵进行建模,联轴器使用质量、刚度
加阻尼进行分段建模,胀紧套连接、弹性支撑等以刚度进行定义。
1.4输入载荷
传动链中加入了两个扭矩:一个是轮毂中心的驱动扭矩,一个是发电机系统中的反馈扭
矩。来自叶片的空气动力产生的扭矩被简化为施加于轮毂中心的一个扭矩。在实际工作环境
下,这个扭矩会随着风速和变桨角的变化而变化。因此在频域仿真分析时,这个扭矩可以考
虑使用一个时间激励来实现(FE93:Torquebyu(t)cmp)。
图4轮毂中心扭矩
在发电机转子和发电机箱体之间加一个力元(FE50:torqueexpression),来模拟反馈扭矩。
当发电机工作时,反馈扭矩的大小随发电机转子的转动速度的变化而变化。
2传动链动态响应分析
2.1频域分析
装配不同组件的模型(如转子、定子、连接设备和载荷)时会得到下面的方程:
g(t)=Mq?+B(t)q?+K(t)q+f(q,q?,t)
式中M——质量矩阵;
B(t)——广义阻尼矩阵;
K(t)——广义刚度矩阵
f(q,t)——非线性力矢量
g(t)——载荷向量
广义阻尼矩阵有下下形式:
Nrotor
B(t)=BS+BSV(t)+BL(t)+∑(Ωi(t)Gi+Bi+BVi(t))
i=1
式中Bs——定子常数粘性阻尼矩阵(对称);
Bsv(
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