風電機組膜片聯軸器平行不對中動力學特性分析

秦 波，崔海旭，王建國，王永亮

（1.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古 包頭014010；2.豐益高分子材料（連云港）有限公司，江蘇 連云港222042）

1 引言

膜片聯軸器作為連接雙饋型風力發電機齒輪箱高速端與發電機輸入端的核心傳動件，受隨機風載荷、偏航變槳等間歇式工作機制以及基座變形等耦合因素協同作用，極易誘發其早期不對中潛隱性故障。據統計，轉子系統由于不對中所引起或與之相關的振動故障占總旋轉機械振動故障高達60%以上［1］。因此，對膜片聯軸器不對中潛隱性故障開展動力學建模與振動響應特性研究，對保障風電機組的安全高效運行具有重要意義。

目前國內外膜片聯軸器的零部件動力學分析成為研究的熱點。文獻［2］和文獻［3］應用ANSYS軟件對膜片聯軸器中膜片組進行有限元分析，獲取了其彎曲、扭轉剛度和軸向以及徑向剛度。文獻［4］通過有限元法得到膜片聯軸器的應力分布、位移變形和固有頻率。文獻［5］、文獻［6］基于ANSYS分析了在預緊力、轉矩、離心力和安裝誤差產生軸線不對中時膜片聯軸器的力學性能，同時利用ADAMS仿真得到了膜片和螺栓的載荷時間歷程。尤文［7］應用ABAQUS軟件對含彈性膜片聯軸器試驗臺傳動系統整體仿真，模擬聯軸器不對中，得到其應力分布、變形情況和固有頻率。文獻［8］使用ABAQUS對柔性膜片聯軸器平行不對中靜態有限元分析，同時建立了聯軸器轉子系統實驗裝置，結果顯示兩個連接軸響應之間的不對稱性。文獻［9］提出了一種有限元分析方法，用于確定剛性聯軸器平行不對中激勵的大小和諧波性質。文獻［10］研究角度不對中量與聯軸器剛度對轉子穩定性影響。

上述研究，對轉子系統膜片聯軸器平行不對中造成的軸向、徑向力頻譜的變化鮮有研究，對此在不對中理論分析基礎上，基于SolidWorks與Adams構建仿真模型，利用風速轉換公式計算高速端模擬轉速，獲取不同平行不對中量下的運動響應，借助于機械轉子故障模擬試驗臺搭建測試系統開展模擬同參數不對中下試驗臺振動特征變化規律的研究。

2 平行不對中故障理論分析

當膜片聯軸器發生平行不對中時，兩半聯軸器的軸心線出現徑向平移，不對中量為δ，如圖1（a）所示。

圖1 （b）中PO1＜PO2，軸1在螺栓作用下沿PO1受到壓縮，軸2沿PO2的金屬材料受拉伸。

圖1 平行不對中Fig1 Parallel Misalignment

在PO2上取點A，使PO2=PA，由于PO2遠大于δ，所以可將O1A近似看作垂直于PO2。假定，w-聯軸器角速度；t-時間，則近似有：

根據聯軸器結構的對稱性，兩者變量可視作相等，平均為：

若聯軸器在PO2向的剛度為E，則該向的拉伸力F為：

將F分解軸向和徑向得到兩個分量：

在式（4）中，當不對中量δ為定值，F徑向的第1項與時間和轉速無關，F徑向的第2項和F軸向隨轉速和時間變化的2倍頻激振力，從而可判斷出聯軸器每旋轉一圈，徑向力大小變化兩次，并且F徑向和F軸向隨著不對中量δ的增大而增大。即當聯軸器發生平行不對中時，對于轉軸振動會產生在2倍頻的徑向振動，同時δ與激振力的幅值成正比關系。

3 風電機組動力學模型

3.1 基于SolidWorks的風力發電機傳動系統模型

在不影響分析前提下，基于SolidWorks軟件建立風力發電機傳動系統的簡化模型，其由行星齒輪箱、膜片聯軸器和發電機組成。行星齒輪箱由2組行星加速級、1組平行加速級構成，其參數如表1所示。

表1 齒輪參數Tab.1 Gear Parameters

3.2 基于ADAMS動力學模型

基于ADAMS的風機傳動系統仿真步驟：（1）模型導入；（2）設置零件材料參數：基本單位、添加重力、添加材料等信息；（3）膜片柔性化；（4）添加約束與接觸力。（5）ADAMS求解器設置及檢查模型驗證正確。具體虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2 風電發電機組動力學模型Fig.2 Dynamics Model of Wind Turbine

瞬時加載：在低速級行星架添加旋轉驅動Function為104.64d，設置Type、負載轉矩、仿真時間、分析類型dynamics。穩定時，各部件轉速在平均值附近的波動很小，呈現出周期性的變化，將系統穩定后各級齒輪轉速匯總同理論值比較，誤差較小，表明模型建立的正確性。

表2 理論數據與仿真數據對比Tab.2 Comparison of Theoretical Data and Simulation Data

4 平行不對中故障動力學仿真

4.1 仿真模擬參數

根據風電場所在地包頭市固陽縣及白云鄂博地區的天氣觀測資料，統計月平均風速在（4～6）m/s，最大風速可達到26m/s。據此，風力發電機額定風速（3～11.4）m/s取10組作為模擬轉速，利用風速轉換公式（5）計算模擬轉頻。

其中，風輪直徑：87m；尖速比：7.2；傳動比：118。計算得，如表3所示。

表3 （3～11.4）m/s風速范圍計算結果Tab.3（3～11.4）m/s Wind Speed Range Calculations

4.2 不對中仿真分析

在與發電機連接的半聯軸節創建平行不對中故障，設置仿真參數，分別對0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mm平行不對中量進行仿真。仿真軸向、徑向力時域結果如圖3所示，并對圖4的時域圖頻譜分析，將所有倍頻幅值統計為方便觀察得到，如圖5～6所示。

圖3 0.1mm時域圖Fig.3 Time Domain Diagram of 0.1mm

圖4 0.1mm頻譜圖Fig.4 Spectrum of 0.1mm

如圖5所示中聯軸節三個方向1倍頻變化規律：隨著不對中量的增加，徑向水平力的1倍頻增加顯著，軸向和徑向垂直力的幅值增長相對于徑向水平變化較小。與“不對中量的增加，徑向水平力變化較大”的理論分析結論相符。

圖5 1倍頻隨不對中量的變化Fig.5 1-Fold Frequency Variation With Misalignment

如圖6所示中隨著不對中量的增加，徑向垂直和軸向2倍頻變化逐漸加快，徑向水平在0.5mm時變化不明顯，符合發生平行不對中時出現2倍頻的特征。

圖6 2倍頻隨不對中量的變化Fig.6 2-fold Frequency Variation with Misalignment

5 平行不對中試驗

5.1 搭建試驗測試系統

為進一步驗證動力學仿真結果有效性，利用機械轉子故障模擬試驗臺搭建測試系統模擬同樣工況參數下軸承座與電動機座振動特性，如圖7所示。測試系統由轉子實驗調頻器、電動機、LMS Test.Lab數據采集儀、2個PCB356A16加速度傳感器（分別安裝電動機和兩個軸承座）、工作站及相關組件組成。整個試驗通過調頻器控制轉速，調位螺栓改變不對中量，模擬不對中故障，采樣時間5s；采樣頻率Fs=5120Hz。

圖7 試驗測試系統及結構簡圖Fig.7 Experimental Test System and Structure Diagram

5.2 平行不對中試驗數據分析

分別針對（0.1～0.5）mm平行不對中量下，模擬表3中10組轉速的試驗臺振動響應。得到振動時域圖（見圖8）并對其時域指標分析（見圖9），發現隨著轉速的增高，波形因子變化不明顯；裕度因子和脈沖因子上下浮動變化無規律；最大值、峰峰值、方差和標準差逐漸增大；平均值接近于零；軸承座時域峭度值在4左右變化，說明機械的運動狀況存在沖擊性振動，電機時域峭度值在正常范圍3左右變化。

圖8 0.1mm軸承座x方向時域和頻譜Fig.8 X-Direction Time Domain and Spectrum of 0.1mm Bearing Seat

圖9 0.1mm軸承座x方向時域指標分析Fig.9 X-Direction Time-Domain Index Analysis of 0.1mm Bearing Seat

針對所測振動信號進行頻譜分析，在電動機振動頻譜中雖然出現明顯倍頻，但在轉速增加過程幅值增長的差值較小，受到不對中的影響較小，故選擇對軸承座進行頻譜分析，將所有倍頻幅值統計得到圖10～圖12所示。

由圖10觀察易知，軸承座軸向頻譜出現明顯的2倍頻和1倍頻，幅值隨著轉速增加而增長，當不對中量超過0.4mm時，隨著轉速的升高1倍頻增長加快，由0.013達到0.22。

圖10 軸承座軸向頻譜分析Fig.10 Axial Spectrum Analysis of Bearing Seat

由圖11觀察易知，1倍頻和2倍頻幅值隨著轉速增加而增大，尤其軸承座徑向的所有1倍頻幅值變化較大由0.01增大至0.25左右。

圖11 軸承座水平徑向頻譜分析Fig.11 Horizontal Radial Spectrum Analysis of Bearing Seat

由圖12觀察易知，軸承座徑向垂直頻譜的幅值變化與軸向類似，當不對中量小于0.4mm頻譜出現明顯的2倍頻和1倍頻，幅值隨著轉速增加而增大；當不對中量超過0.4mm時，隨著轉速的升高1倍頻增長加快，由0.0038增至0.094。與理論分析：“隨著轉速的增高振動幅值增加”，具有較好的一致性，且仿真模型均出現了明顯的1倍頻和2倍頻。

圖12 軸承座垂直徑向頻譜分析Fig.12 Vertical Radial Spectrum Analysis of Bearing Seat

6 結論

針對風力發電機組膜片聯軸器不對中研究。具體結論：

（1）仿真結果顯示系統出現明顯的1倍頻2倍頻，倍頻幅值隨不對中量增加而增長，軸向力的倍頻幅值變化較為明顯；

（2）實驗表明軸承座時域峭度值在4左右變化，存在沖擊性振動。軸承座水平徑向1倍頻和2倍頻幅值隨著轉速增加而增長，當不對中量大于0.4mm時，軸承座垂直徑向與軸向1倍頻增長加快。仿真和實驗頻譜分析的振動響應特性，與理論分析結果有良好的一致性，對開展膜片聯軸器不對中潛隱性故障診斷有一定的參考意義。