LMS Test.Lab簡(jiǎn)化風(fēng)機變速箱的測試

根據世界風(fēng)能源協(xié)會(huì )（WWEA）的資料，世界市場(chǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機組安裝量在2011年產(chǎn)生了一個(gè)新的記錄—總共達到了42萬(wàn)千瓦，而2010年的安裝量只有37.6萬(wàn)千瓦。并且根據初步的數據顯示，世界各地的總安裝量已經(jīng)達到了239萬(wàn)千瓦左右—占到了全球電力需求的3％。

為了滿(mǎn)足這種日益增長(cháng)的需求，很快就會(huì )需要更多—并且越來(lái)越大—的風(fēng)力發(fā)電機組。但是發(fā)展的加快也面臨著(zhù)挑戰，因為發(fā)電機的設計日益復雜，而且需要在惡劣的天氣情況下運行數十年。這意味著(zhù)每個(gè)客戶(hù)定制項目的設計都需要進(jìn)行更多的測試。

Moventas公司是渦輪風(fēng)力發(fā)電機變速箱的一線(xiàn)供應商之一，了解到在過(guò)去的5年里關(guān)于噪音和振動(dòng)方面的測試數量已經(jīng)翻了4倍，許多的項目也要求進(jìn)行相應的測試。

Moventas公司研究和試驗組經(jīng)理Jari Toikkanen先生解釋說(shuō)，進(jìn)行這些測試主要是為了提高產(chǎn)品的可靠性，并符合如美國齒輪制造商協(xié)會(huì )（AGMA）和歐洲ISO標準等機構嚴格監管的要求。他補充說(shuō)：“除了進(jìn)行最大的努力進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，渦輪風(fēng)力發(fā)電機的原始設備制造商們（OEMs）都要求進(jìn)行更多并且比以往都要更詳細的振動(dòng)試驗來(lái)檢測產(chǎn)品的性能?！?

變速箱共振

特別需要注意的一點(diǎn)是在渦輪風(fēng)力發(fā)電機的大型變速箱的振動(dòng)方面，它結合了行星和螺旋轉子來(lái)驅動(dòng)發(fā)電機。另一個(gè)重要的組成部分是連接變速箱與渦輪機的扭矩臂。例如，Moventas公司一個(gè)大型的3MW模型，變速箱的重量就達到了30噸，直徑達到2米；長(cháng)度為2.5米。扭矩臂的套管到套管之間的寬度為4米，0.5米厚，重達5噸。

工程師進(jìn)行多種的模型沖擊試驗來(lái)測試這些組件的共振反應。為什么呢？是為了檢查并避免產(chǎn)生共振反應。

周?chē)慕Y構或齒輪嚙合的頻率產(chǎn)生的振動(dòng)可能會(huì )損壞發(fā)電機的框架、葉片、驅動(dòng)軸以及最高可能超過(guò)120米的發(fā)電塔。

Toikkanen先生說(shuō)：“一般來(lái)說(shuō)，我們的目標是避免扭矩臂產(chǎn)生80~250Hz范圍內的震動(dòng)，其余的結構在400~800Hz的范圍內。如果共振的頻率在這個(gè)范圍內或接近這個(gè)范圍，工程師可以通過(guò)調整變速箱內組件和扭矩臂的幾何位置來(lái)改變模態(tài)頻率—通常改變部分組件的厚度和形狀就能夠優(yōu)化性能?！?

Toikkanen先生注意到，由于不同的轉子葉片的轉動(dòng)速度，使得變速箱扭矩臂的振動(dòng)方式產(chǎn)生差異，并且齒輪的振動(dòng)頻率也會(huì )發(fā)生變化，因而使得這個(gè)過(guò)程變得非常復雜—從輸入旋轉每分鐘的轉數（RPM），微風(fēng)時(shí)或到大風(fēng)時(shí)可能達到10倍的量。

提高測試效率

為了應對各種測試所帶來(lái)的挑戰，Moventas公司目前已經(jīng)開(kāi)始使用LMS Test.Lab軟件—它具有LMS SCADAS 8動(dòng)態(tài)數據采集系統可以在很短的時(shí)間內進(jìn)行各種模式的分析測量。該系統包含模式分析所需的各種集成工具：

● 測試設置；
● 控制；
● 測量；
● 信號調試；
● 結果分析；
● 數據管理；
● 生成報告。

據Toikkanen先生的介紹，內置工作簿和循序漸進(jìn)的操作方式能夠提示工程師在哪里輸入參數，并顯示整個(gè)過(guò)程如何進(jìn)行。這種簡(jiǎn)化的操作方式能夠更快地進(jìn)行測量。

該系統的在線(xiàn)監測功能還能夠提高測試的效率，Toikkanen先生說(shuō)：“我們可以使用實(shí)時(shí)可視化的功能，在測量的同時(shí)馬上看到測量的結果，我們可以在現場(chǎng)驗證測試，得到每一次錘擊后結構如何變形的第一手資料，并了解任何意外共振所產(chǎn)生的原因?！?

這種可視化功能的應用對Moventas公司的工程師來(lái)說(shuō)是非常重要的，動(dòng)畫(huà)模擬狀態(tài)與頻率響應函數（FRFs）顯示在同一個(gè)屏幕上—顯示變速箱關(guān)鍵部位的振動(dòng)幅度。這使得工程師能夠立即了解到變速箱在不同的震動(dòng)頻率下的結構扭轉和彎曲，因此他們可以識別哪些軸承可以傳輸振動(dòng)—并確定關(guān)鍵的齒輪網(wǎng)諧波。

快速響應工程項目

Toikkanen先生說(shuō)，不同配置的軟件包可以進(jìn)行常規的測試，可以“在幾天內而不是幾周”內運行。當需要一個(gè)更快的周期時(shí)，模態(tài)測試可以在早上運行，在同一天內得到并記錄分析的結果。

除了使用LMS Test.Lab系統，公司一直與LMS工程服務(wù)（LMS Engineering Services）在一些需要額外計算資源的項目—如響應速度較快的項目，需要滿(mǎn)足重點(diǎn)客戶(hù)要求的項目上進(jìn)行緊密的合作。定義耐久性分析計算的范圍和詳細程度，與Moventas公司的首席結構分析師Petri Lahtinen 先生進(jìn)行相關(guān)項目的協(xié)調。

在一個(gè)項目中，LMS工程服務(wù)（LMS Engineering Services）提供了一家渦輪風(fēng)力發(fā)電機生產(chǎn)商所需要的關(guān)鍵疲勞壽命分析。這項分析需要檢查兩個(gè)主要的渦輪風(fēng)力發(fā)電機圓柱形的變速箱組件—扭矩臂和齒輪行星架—預計將承受超過(guò)20年的運作負載壽命。LMS的工程師為組件和應用單位的負載創(chuàng )建了一個(gè)有限要素模型，以確定每一部分的壓力時(shí)間序列。這種壓力時(shí)間序列連同完整的組件歷史負載時(shí)間被使用在耐久性模擬軟件（LMS Virtual.Lab）中，以預測基礎材料的疲勞壽命。

在以后的項目中，LMS測量變速箱在低速輸入和高速輸出時(shí)的軸旋轉振動(dòng)。安裝在低速軸上的加速度計信號直接在系統的分析中使用。高速軸的信號通過(guò)激光測振儀測試旋轉速度而直接獲取。一系列的操作響應能夠顯示出所有軸所產(chǎn)生的旋轉振動(dòng)和相關(guān)的共振。

Toikkanen先生相信，隨著(zhù)渦輪風(fēng)力發(fā)電機的制造商們對零部件供應商要求的更加嚴格，相關(guān)的測試—并且降低項目中的能源生產(chǎn)成本對于推動(dòng)渦輪機的發(fā)展創(chuàng )新將是至關(guān)重要的。(end) 風(fēng)力發(fā)電機相關(guān)文章:風(fēng)力發(fā)電機原理
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