偏航系統(tǒng)可以保證風(fēng)電機(jī)組的葉輪始終處于正面迎風(fēng)狀態(tài)，從而能夠以最大的效率利用風(fēng)能，提高發(fā)電效率。

滑動(dòng)式偏航機(jī)構(gòu)可以承受更大的荷載，而且省去了剎車(chē)及液壓裝置，逐漸被兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組采用。但是由于機(jī)艙的重力載荷較大、葉片的氣動(dòng)載荷受風(fēng)隨機(jī)性的影響而變化復(fù)雜，從而導(dǎo)致滑動(dòng)式偏航系統(tǒng)的滑動(dòng)塊與大齒圈間的摩擦阻尼情況復(fù)雜，容易導(dǎo)致偏航減速機(jī)載荷過(guò)大或滑動(dòng)塊磨損等故障。某2MW風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)了偏航大齒圈磨損嚴(yán)重、風(fēng)電機(jī)組偏航減速箱內(nèi)部輪齒折斷現(xiàn)象。因此，為了保證風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的工作特性，從運(yùn)動(dòng)摩擦學(xué)原理進(jìn)行考慮，分析偏航系統(tǒng)的振動(dòng)特性 ;從偏航組件的力學(xué)強(qiáng)度特性角度考慮，研究偏航組件受載的強(qiáng)度特性和疲勞特性;還有基于偏航控制原理，建立了偏航控制模型，這些成果為研究兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的工作特性做出了一些成果。

本文以某 2MW 風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)偏航系統(tǒng)故障為背景，通過(guò) Bladed 軟件模擬出 22m/s 風(fēng)速下，不同的偏航速度、偏航角度和有無(wú)湍流四種工況下的風(fēng)載荷，將其以數(shù)據(jù)文件形式導(dǎo)入到不同工況下的偏航系統(tǒng)的 ADAMS 模型中，求解出相應(yīng)的偏航總驅(qū)動(dòng)力矩，并將得到的偏航總驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)均等處理分配到偏航減速箱中，作為偏航減速箱的負(fù)載力矩輸入，分析偏航角度、偏航速度和風(fēng)速對(duì)偏航減速箱的力學(xué)特性影響。

滑動(dòng)式偏航系統(tǒng)

滑動(dòng)式偏航系統(tǒng)主要由機(jī)艙、偏航減速箱、偏航軸承、大齒圈、偏航小齒輪等組成。其偏航動(dòng)作為 ：電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏航減速箱，帶動(dòng)偏航小齒輪運(yùn)動(dòng)，偏航小齒輪與固定在塔架上的大齒圈相互嚙合，在滑動(dòng)式偏航軸承作用下，機(jī)艙開(kāi)始緩慢繞塔架中心旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)偏航動(dòng)作。

一、偏航減速箱模型

偏航減速箱的主要作用是增大減速箱輸出端轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)機(jī)艙緩慢平穩(wěn)的偏航。該減速箱采用一級(jí)渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)和三個(gè) NGW 式行星輪系串聯(lián)的減速機(jī)構(gòu)。圖 1 是偏航減速箱的示意圖。

二、滑動(dòng)式偏航軸承模型

滑動(dòng)式偏航軸承的主要作用就是維持偏航摩擦，保證偏航穩(wěn)定性。與偏航大齒圈上表面貼合的 8 塊下滑動(dòng)襯墊，

內(nèi)側(cè)面貼合的8塊徑向滑板，下表面貼合的八塊上滑動(dòng)襯墊，即為偏航軸承的主要摩擦和潤(rùn)滑部件，它們都是由具有自潤(rùn)滑功能的 PETP 材料制成，此種 PETP 材料的靜摩擦系數(shù)為0.1，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.06。圖2偏航軸承的剖面示意圖。

偏航系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

本文采用 ADAMS 軟件構(gòu)建偏航系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，求出不同工況下偏航驅(qū)動(dòng)力矩，進(jìn)而分析偏航減速箱

中行星輪系間碰撞力的動(dòng)態(tài)特性。

一、虛擬樣機(jī)模型建立

在 Solidworks 軟件中首先建立出偏航軸承系統(tǒng)和偏航減速箱裝配體的三維模型，根據(jù)對(duì)偏航工作原理的分析，為了減小模型運(yùn)行時(shí)間，提高計(jì)算效率，在對(duì)偏航系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的時(shí)候，將偏航軸承和機(jī)艙部分與偏航減速箱分開(kāi)計(jì)算。

對(duì)于偏航軸承系統(tǒng) ：偏航大齒圈與大地建立固定副約束 ;四個(gè)偏航小齒輪分別與機(jī)艙上的定位孔建立旋轉(zhuǎn)副約束 ;上滑動(dòng)襯墊、下滑動(dòng)襯墊分別與偏航大齒圈之間建立旋轉(zhuǎn)副約束，并各自定義摩擦 ;徑向滑板與偏航大齒圈內(nèi)側(cè)面建立定義接觸，與機(jī)艙建立固定副約束 ;四個(gè)偏航小齒輪分別與大齒圈之間添加接觸 ;徑向滑板與大齒圈內(nèi)測(cè)面添加接觸。對(duì)于偏航減速箱 ：三個(gè)外齒圈分別與大地之間建立固定副約束 ;一級(jí)太陽(yáng)輪與一級(jí)行星架間建立旋轉(zhuǎn)副約束 ;三個(gè)一級(jí)行星輪分別與一級(jí)行星架間建立旋轉(zhuǎn)副約束;一級(jí)行星架與一級(jí)外齒圈之間建立旋轉(zhuǎn)副約束 ;下一級(jí)太陽(yáng)輪與上一級(jí)行星架之間建立固定約束保證行星輪系運(yùn)動(dòng)的傳遞，其余約束與第一級(jí)行星輪系的約束相同 ;每個(gè)齒輪之間均定義接觸。圖 3 為添加完約束后的偏航軸承系統(tǒng)和偏航減速箱的虛擬樣機(jī)模型。

二、載荷模型

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組偏航來(lái)說(shuō)，主要的偏航阻力來(lái)自于兩方面，由葉片傳遞到機(jī)艙上的風(fēng)載荷作用，其中該風(fēng)載荷對(duì)偏航的阻力矩的直接表現(xiàn)為逆偏航方向的阻力矩 ;由于機(jī)艙自重、風(fēng)載荷垂直機(jī)艙的作用力、風(fēng)載荷對(duì)機(jī)艙的傾覆力矩而導(dǎo)致上滑動(dòng)襯墊、下滑動(dòng)襯墊和徑向滑板與偏航大齒圈和機(jī)艙間偏航時(shí)產(chǎn)生的摩擦力矩。

(一) 風(fēng)載荷

依據(jù) IEC61400 - 3 標(biāo)準(zhǔn)，選用風(fēng)譜 kaimal 模型模擬風(fēng)速，湍流強(qiáng)度為 C，工況如表 1 所示。通過(guò) Bladed 軟件仿真出不同工況下的風(fēng)載荷，機(jī)艙的傾覆力矩 Mx、My，偏航力矩 Mz，垂直載荷 Fz，水平荷載Fx、Fy。載荷作用坐標(biāo)系如圖 4 所示。

(二)摩擦阻力矩

動(dòng)襯墊上的正壓力發(fā)生變化，因此會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生的摩擦阻力矩發(fā)生變化。本文借鑒傾覆力矩對(duì)螺栓組拉力的求解方法對(duì)傾覆力矩 Mx、My 進(jìn)行等效處理。如圖 5 所示，當(dāng)傾覆力矩 Mx 作用時(shí)，會(huì)對(duì) X 軸兩側(cè)的摩擦片正壓力產(chǎn)生影響，在圖 5 的情況下，會(huì)導(dǎo)致 X 軸左邊的下滑動(dòng)襯墊受壓，X軸右邊的上滑動(dòng)襯墊受壓，對(duì)于下滑動(dòng)襯墊，設(shè)每個(gè)下滑動(dòng)襯墊受傾覆力矩作用產(chǎn)生的壓力為 Fi，作用點(diǎn)到 X 軸距離為 Xi，則有 ：

同理可以得到 My 的等效壓力以及上滑動(dòng)襯墊受到的傾覆力矩作用產(chǎn)生的壓力。將偏航模型簡(jiǎn)化為一個(gè)在水平面上定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓臺(tái)，則每個(gè)摩擦片可簡(jiǎn)化為如圖 6 的扇形塊，R1 和 R2 分別為摩擦片的外徑和內(nèi)徑，Φ 為張角，在摩擦片上取一微段 dΦ，長(zhǎng)度為 dr，則摩擦力矩 ：

因此，摩擦力臂的等效長(zhǎng)度為

(三)接觸剛度

減速機(jī)齒輪接觸力是基于 IMPACT 函數(shù)的接觸模式，接觸碰撞模型以 Hertz 彈性撞擊理論分析為基礎(chǔ)定義的，接觸剛度系數(shù) K 主要和碰撞物體的結(jié)構(gòu)形狀和材料有關(guān)。

式中，其中 ρ1、ρ2 為兩碰撞物體的當(dāng)量半徑 ;，其中，μ1、μ2 分別是兩個(gè)齒輪材料的泊松比，E1、E2 分別是兩個(gè)齒輪材料的楊氏模量。本文齒輪材料均選用 20Cr2Ni4 材料，其泊松比為0.29，彈性模量為 2.07×105MPa。各對(duì)齒輪間嚙合剛度值如表 2。

結(jié)果討論

設(shè)置各工況仿真參數(shù)，摩擦片的動(dòng)摩擦因數(shù)為 0.06，靜摩擦因數(shù)為 0.1，采用 Step 函數(shù)設(shè)置驅(qū)動(dòng)，在 ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

一、偏航驅(qū)動(dòng)力矩

從圖 7 中各工況下偏航驅(qū)動(dòng)力矩的對(duì)比中可以看出，由于工況 2 為湍流等級(jí)為 C 級(jí)的湍流風(fēng)，而工況 1 為普通陣風(fēng)，從圖 7a 可明顯看到偏航總驅(qū)動(dòng)力矩的波動(dòng)情況，可見(jiàn)湍流風(fēng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航總驅(qū)動(dòng)力矩影響很大。工況 1、工況 3 和工況 4 的偏航驅(qū)動(dòng)力矩幅值基本是相同的，但由于工況 3 偏航速度較小，在偏航開(kāi)始時(shí)刻工況 3 偏航驅(qū)動(dòng)力矩較小。不同的偏航速度(圖 7b)和不同的偏航角度(圖7c)下，偏航所需時(shí)間是不同的。

二、減速箱一級(jí)太陽(yáng)輪接觸力

從圖 8 可以看出，齒輪碰撞力有明顯的周期性，其變化頻率與減速箱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速有關(guān)，從圖 8a、8c 可以看到，雖然碰撞力幅值不同，但是時(shí)域上基本上是重合的，因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速是相同的，但是圖 8b 中，碰撞力的時(shí)域上有明顯的差異，可見(jiàn)工況 1 的碰撞力變化比工況 3 碰撞力變化快，即驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速越大，碰撞力變化越急，所以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速會(huì)影響碰撞力的變化頻率。從幅值看，圖 8a 工況 2 下碰撞力的幅值明顯較大，因?yàn)橥牧黠L(fēng)風(fēng)速隨機(jī)變化，導(dǎo)致偏航系統(tǒng)的負(fù)載出現(xiàn)幅值大范圍波動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)

本文在考慮風(fēng)載荷和偏航摩擦阻力矩的影響下，建立滑動(dòng)式軸承風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)及偏航驅(qū)動(dòng)偏航減速機(jī)工作過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，并基于 ADAMS 軟件對(duì)構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明 ：

(1)從分析結(jié)果來(lái)看，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，影響最大的因素是風(fēng)況，在陣風(fēng)情況下，偏航系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩幅值波動(dòng)均勻，影響不大，但是在湍流風(fēng)況下，偏航系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻出現(xiàn)很大的波動(dòng)。

(2)從一級(jí)太陽(yáng)輪 Y 向碰撞力的變化情況來(lái)看，湍流風(fēng)對(duì)其幅值影響很大，較其它三種工況，其幅值波動(dòng)情況更加不穩(wěn)定，且最大值明顯大于其它三種工況，這對(duì)減速箱實(shí)際工作來(lái)說(shuō)，會(huì)使減速箱受到更大的負(fù)載，增加齒輪的破壞機(jī)率 ;對(duì)偏航系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，偏航角度對(duì)偏航驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和減速箱齒輪碰撞力的影響較小。

(3)在同等風(fēng)況下，不同偏航參數(shù)的偏航運(yùn)行時(shí)，偏航系統(tǒng)內(nèi)部控制器可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)偏航驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用，使之受載更加均勻穩(wěn)定。