風電機組滑動式偏航系統動力學分析

　　偏航系統可以保證風電機組的葉輪始終處于正面迎風狀態，從而能夠以最大的效率利用風能，提高發電效率。
　　滑動式偏航機構可以承受更大的荷載，而且省去了剎車及液壓裝置，逐漸被兆瓦級風電機組采用。但是由于機艙的重力載荷較大、葉片的氣動載荷受風隨機性的影響而變化復雜，從而導致滑動式偏航系統的滑動塊與大齒圈間的摩擦阻尼情況復雜，容易導致偏航減速機載荷過大或滑動塊磨損等故障。某2MW風電機組出現了偏航大齒圈磨損嚴重、風電機組偏航減速箱內部輪齒折斷現象。因此，為了保證風電機組運行的穩定性，需要對風電機組的偏航系統的動態特性進行研究。
　　對兆瓦級風電機組偏航系統的工作特性，從運動摩擦學原理進行考慮，分析偏航系統的振動特性 ;從偏航組件的力學強度特性角度考慮，研究偏航組件受載的強度特性和疲勞特性;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風電機組偏航系統的工作特性做出了一些成果。
　　本文以某 2MW 風電機組出現偏航系統故障為背景，通過 Bladed 軟件模擬出 22m/s 風速下，不同的偏航速度、偏航角度和有無湍流四種工況下的風載荷，將其以數據文件形式導入到不同工況下的偏航系統的 ADAMS 模型中，求解出相應的偏航總驅動力矩，并將得到的偏航總驅動力矩通過均等處理分配到偏航減速箱中，作為偏航減速箱的負載力矩輸入，分析偏航角度、偏航速度和風速對偏航減速箱的力學特性影響。
　　滑動式偏航系統
　　滑動式偏航系統主要由機艙、偏航減速箱、偏航軸承、大齒圈、偏航小齒輪等組成。其偏航動作為 ：電機驅動偏航減速箱，帶動偏航小齒輪運動，偏航小齒輪與固定在塔架上的大齒圈相互嚙合，在滑動式偏航軸承作用下，機艙開始緩慢繞塔架中心旋轉，實現偏航動作。
　　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矩，驅動機艙緩慢平穩的偏航。該減速箱采用一級渦輪蝸桿機構和三個 NGW 式行星輪系串聯的減速機構。圖 1 是偏航減速箱的示意圖。　　二、滑動式偏航軸承模型
　　滑動式偏航軸承的主要作用就是維持偏航摩擦，保證偏航穩定性。與偏航大齒圈上表面貼合的 8 塊下滑動襯墊，
　　內側面貼合的8塊徑向滑板，下表面貼合的八塊上滑動襯墊，即為偏航軸承的主要摩擦和潤滑部件，它們都是由具有自潤滑功能的 PETP 材料制成，此種 PETP 材料的靜摩擦系數為0.1，動摩擦系數為0.06。圖2偏航軸承的剖面示意圖。　　偏航系統的動力學模型
　　本文采用 ADAMS 軟件構建偏航系統的動力學仿真模型，求出不同工況下偏航驅動力矩，進而分析偏航減速箱
　　中行星輪系間碰撞力的動態特性。
　　一、虛擬樣機模型建立
　　在 Solidworks 軟件中首先建立出偏航軸承系統和偏航減速箱裝配體的三維模型，根據對偏航工作原理的分析，為了減小模型運行時間，提高計算效率，在對偏航系統進行動力學分析的時候，將偏航軸承和機艙部分與偏航減速箱分開計算。
　　對于偏航軸承系統 ：偏航大齒圈與大地建立固定副約束 ;四個偏航小齒輪分別與機艙上的定位孔建立旋轉副約束 ;上滑動襯墊、下滑動襯墊分別與偏航大齒圈之間建立旋轉副約束，并各自定義摩擦 ;徑向滑板與偏航大齒圈內側面建立定義接觸，與機艙建立固定副約束 ;四個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測面添加接觸。對于偏航減速箱 ：三個外齒圈分別與大地之間建立固定副約束 ;一級太陽輪與一級行星架間建立旋轉副約束 ;三個一級行星輪分別與一級行星架間建立旋轉副約束;一級行星架與一級外齒圈之間建立旋轉副約束 ;下一級太陽輪與上一級行星架之間建立固定約束保證行星輪系運動的傳遞，其余約束與第一級行星輪系的約束相同 ;每個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和偏航減速箱的虛擬樣機模型。　　二、載荷模型
　　對于風電機組偏航來說，主要的偏航阻力來自于兩方面，由葉片傳遞到機艙上的風載荷作用，其中該風載荷對偏航的阻力矩的直接表現為逆偏航方向的阻力矩 ;由于機艙自重、風載荷垂直機艙的作用力、風載荷對機艙的傾覆力矩而導致上滑動襯墊、下滑動襯墊和徑向滑板與偏航大齒圈和機艙間偏航時產生的摩擦力矩。