海上風(fēng)電機(jī)組吊裝液壓緩沖器仿真研究

1 引言

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)（以下簡稱風(fēng)機(jī)）在安裝過程中由于受到風(fēng)和波浪的影響，風(fēng)機(jī)塔架在從上向下接近安裝平臺的過程中，與安裝平臺間會產(chǎn)生劇烈的沖擊和碰撞，從而損壞風(fēng)機(jī)相關(guān)設(shè)備，如圖1、圖2所示。為了避免這種情況的發(fā)生，需要在風(fēng)機(jī)塔架下端安裝合適的抗沖擊緩沖器來減緩風(fēng)機(jī)安裝碰撞過程中的沖擊，從而保證安裝過程中風(fēng)機(jī)各個零部件不因過大的沖擊而損壞。目前海上風(fēng)機(jī)安裝技術(shù)主要掌握在歐美國家手里，國內(nèi)有同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)和大連理工大學(xué)正在研究。

圖1 風(fēng)電機(jī)組吊裝示意圖 圖2 對位緩沖裝置

液壓緩沖器是一種利用氣體的可壓縮性作用，轉(zhuǎn)化機(jī)械能為壓力能和熱能，用來延長沖擊負(fù)荷的作用時間，吸收并轉(zhuǎn)化沖擊負(fù)荷的能量的裝置。其特點(diǎn)是：抗力均衡、緩沖能量大、便于安裝。在壓縮量和最大作用力都相同時，液壓緩沖器比彈簧緩沖器幾乎能多吸收1倍的能量。故本文以液壓緩沖為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)該抗沖擊緩沖器。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是結(jié)合運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)與流體力學(xué)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)。這樣一個設(shè)計(jì)過程周期較長，操作繁瑣，對產(chǎn)品性能要求的多樣化非常不利。考慮以上因素，本文采用matlab針對液壓緩沖器進(jìn)行優(yōu)化仿真，對主要影響參數(shù)進(jìn)行分析研究，加快其設(shè)計(jì)進(jìn)程，提高設(shè)計(jì)的成功率。

2 緩沖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案是通過外部的蓄能器來進(jìn)行緩沖，其基本構(gòu)成如圖3所示。緩沖器工作前，蓄能器內(nèi)部設(shè)定好初始壓力，隨著缸筒的下降，油液從緩沖缸流入蓄能器，蓄能器中氣體的壓力增大，體積減小，蓄能器提供的能量就越來越大，由此來產(chǎn)生足夠的油壓使風(fēng)機(jī)的運(yùn)動減速。設(shè)計(jì)重點(diǎn)是保證整個緩沖過程加速度達(dá)到0.25g以下，最終滿足安裝要求。

圖3 緩沖器原理圖

3 緩沖器系統(tǒng)模型的建立

3.1緩沖器氣體狀態(tài)方程的選取

采用內(nèi)裝氮?dú)獾男钅芷髯鳛轱L(fēng)電機(jī)組電裝的緩沖器，能大大的緩解風(fēng)機(jī)吊裝過程的振動和沖擊，提高風(fēng)電機(jī)組吊裝的安全性。在緩沖過程中，蓄能器中的氣體處于不斷壓縮和膨脹的交替變化過程中，狀態(tài)復(fù)雜。目前國內(nèi)大多數(shù)研究都把氣體作為理想氣體，用理想氣體的狀態(tài)方程來描述氣體的狀態(tài)變化過程，在低壓常溫時，實(shí)際氣體的性能同理想氣體比較接近，壓強(qiáng)和溫度變化不大的情況下，采用理想氣體狀態(tài)方程建模，還是能夠滿足仿真精度。但當(dāng)氣體的溫度很低或壓力很高時，實(shí)際氣體的性能同理想氣體就會存在很大的偏離。當(dāng)氣體壓力高于20MPa時，需要對實(shí)際氣體容積采用修正系數(shù)。因此在壓力很高或溫度很低時，應(yīng)該用實(shí)際氣體的狀態(tài)方程來描述氣體狀態(tài)的變化。

目前常用的實(shí)際氣體狀態(tài)方程為BWR方程，該方程能比較準(zhǔn)確地描述實(shí)際氣體狀態(tài)變化過程，而且考慮了氣體溫度變化產(chǎn)生的影響，其形式為：

[P=RTv+（B0RT-A0-C0T2）1v2+（bRT-a）1v3+aαv6+c（1+rv2）exp（-rv2）v3T2] （2.1）

其中，[A0]、[B0]、[C0]、[a]、[b]、[c]、[α]和[r]是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，對于氮?dú)猓珺WR方程中的八個常數(shù)可以確定；

[R]—實(shí)際氣體常數(shù)，對于氮?dú)鈁R=296.8]J/kg[?]K；

[T]—實(shí)際氣體絕對溫度，K；

[P]—實(shí)際氣體壓強(qiáng)，Pa；

[v]—蓄能器中氣體比容，m3/kg，其定義如下：

[v=Vmg] （2.2）

其中，[mg]—蓄能器中氣體質(zhì)量，kg；

[mg=uP0V0R1T] （2.3）

[u]是氮?dú)獾哪栙|(zhì)量；

[P0]是蓄能器的預(yù)充氣體體積；

[R1]是常數(shù)，在這里取8.31441；

[V]—實(shí)際氣體體積，m3。

蓄能器中實(shí)際氣體體積[V]為：

[V=V0-ΔV] （2.4）

其中，[V0]—蓄能器中初始充氣體積，m3；

[ΔV]—蓄能器中氣體體積變化量，m3。

3.2 緩沖器數(shù)學(xué)模型的建立

對圖3的模型進(jìn)行受力分析，緩沖缸輸出力方程為：

[F=Ma=Mg-P1A1-Ff-F繩索] （2.5）

其中，[P1]—緩沖液壓缸無桿腔油液壓力，Pa；

[A1]—緩沖液壓缸活塞面積，m2；

[M]—風(fēng)機(jī)的質(zhì)量，Kg；

[Ff]—緩沖缸密封圈摩擦力，N；

[F繩索]—鋼絲繩的拉力，N；

[a]—風(fēng)機(jī)加速度，m2/s。

根據(jù)流體力學(xué)，無桿腔油液壓力P1主要受蓄能器中氣體壓強(qiáng)PA、管路局部壓力損失[Pα]和沿程壓力損失影響[Pβ]。即：

[P1=PA+Pα-Pβ] （2.6）

取蓄能器中的氣體為研究對象，蓄能器中的氣體壓強(qiáng)[PA]為：

[P=RTAvA+（B0RTA-A0-C0TA2）1vA2+（bRTA-a）1vA3+aαvA6+c（1+rvA2）exp（-rvA2）vA3TA2] （2.7）

[Pα=ρ（Q1Ac）2ζ10.5-0.5sign（x）-ζ20.5+0.5sign（x）] （2.8）

[Pβ=λc1lc1dcρv2c12sign（x）] （2.9）

其中，[ρ]—液壓油密度，取870kg/m3；

[Q1]—單位時間內(nèi)I腔進(jìn)入蓄能器油液的流量，可表示如下：

[Q1=-A?x] （2.10）

[Ac]—油管截面積，m2；

[ζ1]、[ζ2]—油管與蓄能器出口油液壓力損失系數(shù)，當(dāng)油液由軟管向蓄能器內(nèi)流動時，取[ζ1]=1；當(dāng)油液從蓄能器向油管流動時，取[ζ2]=2；

[dc]—油管直徑，m；

[lc1]—油管長度，m；

由于蓄能器緩沖缸的制造精度和誤差，密封圈摩擦力對于緩沖過程有一定的阻尼作用，據(jù)文獻(xiàn)[8]中緩沖缸的密封圈摩擦阻力的算法，可知：

[Ff=uπΔPf（DbDdD+bddd）] （2.11）

其中，[u]—密封圈摩擦系數(shù)，按不同潤滑條件，可取0.1；

[ΔPf]—液壓缸兩側(cè)壓力差，[ΔPf=P1-P0]；

至此，可推導(dǎo)出風(fēng)機(jī)加速度a：

[a=FM=g-（PA+Pα-Pβ）A1M-uπΔPf（DbDdD+dbddd）M-F繩M] （2.12）

4 緩沖器仿真分析

4.1仿真模型的建立

通過編寫matlab程序，對采用BWR方程得到的加速度方程進(jìn)行仿真，程序仿真優(yōu)化過程如下：

⑴設(shè)定P0和V0的合理工作范圍；

⑵在設(shè)定的工作范圍內(nèi)遍歷所有P0和V0的數(shù)值組合，得到相應(yīng)的加速度方程的曲線；

⑶把得到的每組曲線的最大值作為比較條件，以使得風(fēng)機(jī)運(yùn)動加速度方程最小作為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化分析；

⑷最終得到最優(yōu)的組合。

仿真優(yōu)化程序框圖如圖4所示：

圖4 BWR方程優(yōu)化方框圖

4.2仿真參數(shù)的選擇

（1）浪載荷影響分析

東海大橋風(fēng)電場位于近海，海浪波周期約為6s。一般安裝工況海浪的最大允許起伏為±300mm。所以可將海浪波動模型簡化為正弦模型，海浪對安裝船的作用比較復(fù)雜，這里將海浪運(yùn)動簡化為：

[x=Asin（2πTt+φ）+vt] （3.1）

其中，[A]—位移激勵的幅度，m；

[T]—激勵周期，s；

[φ]—激勵初相位，s；

[v]—吊勾下放速度，s；

[t]—時間，s。

（2）仿真模型參數(shù)輸入

根據(jù)風(fēng)機(jī)吊裝的相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇蓄能器的實(shí)際參數(shù)作為仿真模型的參數(shù)輸入，見表3.1。

表3.1仿真模型參數(shù)

在仿真過程中，假設(shè)油液的工作溫度是常溫即T=283.16 K，把蓄能器的預(yù)充氣體的壓力[P0]和預(yù)充體積[V0]作為優(yōu)化變量，分別設(shè)置其范圍是5Mpa[≤][P0][≤]25Mpa和120L[≤][V0][≤]300L。

經(jīng)過優(yōu)化仿真，確定在蓄能器預(yù)充氣體壓力是10MPa，預(yù)充氣體體積是150L時，所獲得的風(fēng)機(jī)加速度能比較好的滿足設(shè)計(jì)要求。其仿真結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出，整個仿真過程加速度始終小于0.25g，并且在46s以后加速度基本達(dá)到0，此時便可以把風(fēng)機(jī)平穩(wěn)的安裝在安裝平臺。

圖5 風(fēng)機(jī)運(yùn)動的加速度

5 結(jié)論

本文提出了風(fēng)機(jī)的軟著陸安裝體系的緩沖系統(tǒng)，分析了海浪載荷對風(fēng)機(jī)安裝的影響。利用緩沖加速度可控性及快速跟隨功能，將風(fēng)機(jī)安裝時的加速度控制在要求范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)安裝的軟著陸。本文以一個海上風(fēng)電機(jī)組吊裝的實(shí)際項(xiàng)目為背景，設(shè)計(jì)了液壓緩沖器，建立了其數(shù)學(xué)模型，并對緩沖過程的關(guān)鍵階段進(jìn)行了分析和仿真。通過優(yōu)化分析，最終得到一組最優(yōu)的數(shù)值，使初始的最大加速度控制在2.3m2/s，結(jié)果滿足控制所提出的加速度≤0.25g的要求。為進(jìn)一步研究緩沖器的控制算法、可靠性等奠定了基礎(chǔ)。