风力发电偏航减速器试验台设计.docx
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风力发电偏航减速器试验台设计
第一章绪论
1.1课题的研究背景
1.1.1当代能源危机问题
能源是人类文明发展的“血液”，同时也是一个国家发展的重要前提。
自从200年以前工业革命开始到现在，全球的能源消耗就急速增长，能源已经成为制约经济发展的最大障碍。
其中当代所面临的能源情况为：
1）能源资源
从资源上来说，资源总量小，约为世界的10%；人均水平低，为世界人均水平的40%；能源结构单一，主要来自化石燃料—煤、石油和然气；图1-1示出了我国和世界一次商品能源消费结构。
图1-1我国和世界一次商品能源消费结构
截止到2006年底，探明总资源量为8230亿吨标准煤，探明剩余可采总储量1390亿吨标准煤；剩余可采储量的保证程度为煤炭80年、石油15年、天然气30年汾别为世界平均水平的1/2、1/3和1/2；资源中以煤为主，缺乏石油、天然气资源。
如图1-2所示。
2）人均能耗
人均能源消耗是衡量一个国家经济繁荣程度的晴雨表。
我国目前的人均年消耗为1292公斤标准煤，为美国的10%，日本的22%，OECD国家的19%，世界平均水平的61%；要达到世界平均水平需要30亿吨，达到OECD国家平均水平需要85亿吨。
1.1.2环境问题
近年来，环境污染相当严重，多人们带来了很大的影响。
其中化石燃料的消耗给人类所造成的环境污染和安全问题已经成为社会的主要矛盾。
化石燃料的燃烧除了煤炭产生的扬尘之外，还会释放C02，S02，NOx，和CO等。
这些气体（酸雨和酸沉降）的排放，会导致全球气候变暖（温室效应）及煤烟型大气污染。
主要依靠煤炭的发展中国家，
如中国、印度等的空气污染已相当严重，按目前污染排放推算，再过100年，人类将无法在地球生存。
1.1.3新能源的开发与应用
面对能源的短缺和环境污染所产生的一系列问题，我们必须大力开发利用可再生能源资源。
其中风能是世界上最具大规模应用潜力的可再生能源。
我国蕴含着巨大的风能资源，特别是东南沿海及附近岛屿、内蒙古和河西走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区，每年风速在3m/s以上的时间近4000小时左右，一些地区年平均风速可达6~7m/s以上，具有很高的开发利用价值。
如图1-2所示为中国的风力资源分布情况，东南沿海属于中强压地带，石油、煤炭资源匿乏，而且高速的经济增长对电力的需求又很大，所以风能开发具有广阔的前景。
北方从新疆通过甘肃到内蒙古，是中国风力资源最丰富的地区，而且这一地区的风速稳定，很少有紊流和咫风现象，人口稀少，地域平坦，适合发展大型风力发电厂，这一地区的风能储存量可以达到500万千瓦，年发电可以达到1.8亿千瓦，是目前中国电力消费量的60%左右。
图1-2中国的风力资源分布
利用风能，不仅可以扩大能量来源、节约矿物资源，而且还有助于解决边远地区孤立用电者的需要，具有现实的社会和经济利益。
风力发电作为一种新型的可再生的能源形式，是近期内技术成熟、环境友好，具有大规模发展潜力的可再生能源技术，在远期风能将成为世界上重要的补充能源。
风力发电是世界范围内增长最快的一种能源形式，在世界各地正得到越来越广泛的应用。
1.2风力发电技术国内外研究发展现状
1.2.1国外的发展现状
在一些发达国家，风力发电试验平台的建设已经到了一定的成熟阶段。
欧、美己有多个风电公共平台，例如欧洲风能研究院（NWTC、EAWE）、德国风能研究所（DEWI）等。
在德国，风能是居水力发电之后最重要的再生能源来源，风力发电在德国电力生产中所占的比例已达到2.5%。
目前，德国共拥有9400座风力发电机，总容量近6100兆瓦，占欧洲大陆风能发电总容量的50%，全球风能发电总量的三分之一。
在未来10年里，德国风力发电在电力生产中所占的比例将达到3.5%。
联邦风能协会的估计更为乐观，认为风力发电在电力生产中所占的比例甚至可以提高到30%。
不过，这一切都取决开发风能发电的新领域—近海风力发电的努力是否成功。
美国是世界上最早重视风力发电的国家之一，1994年时装机容量（163万kW）就占当年全球风电装机容量的53%。
虽然电力工业改组引起的混乱使美国1991-1996年的风电业没有太多增长，但随着电力工业改组的完成，到2000年时，每年至少可交付30万kW的风电机组产品，形成40亿美元的风机产业，风电平均价格将低于4min/kW。
到2050年时，全美风力发电将占全国电力用量的10%
印度从20世纪90年代以后大力引进国外技术，并采取有力的政策措施促进风力发电的发展。
1995年是其风电装机容量增长最快的一年，增量达37.5万kW，装机总量达56.5万kW,19%年又上升到81.6万kW，超过丹麦，成为世界第三个风力发电最多的国家。
荷兰、英国等国的风电事业，也在迅速发展。
1.2.2国内的发展现状
风力发电是一种比较清洁的发电体系，我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kw，风是没有公害的能源之一，而且它取之不尽，用之不竭。
但是，风力发电要求的技术含量较高，成本高，对风装置用不长久。
其中风力发电对风装置试验台的研制还处在初期阶段。
风力发电作为未来可取代传统能源的“绿色能源”之一，其发展的速度在诸如太阳能、生物质能和潮汐能等可再生能源中是最具有市场化规模及前景的。
在一些国家，风能发电已能提供全国电能需求的10%～20%，有的甚至达到50%以上。
虽然中国的风电事业起步比较晚，但在国家政策大力支持下，过去10年内的风力发电装机容量年均增长速度达到了55%以上，前景看好。
在2005年全国风电建设前期会议上，国家发展与改革委员会能源局提出：
到2010年全国风电装机容量达到400万kW，风电上网电价将进一步降低；到2020年，装机容量将2000万kW，风能利用将遍及全国城乡。
由于风电事业的蓬勃发展，建设风力发电试验台就显得极为重要。
1.3风力发电偏航减速器试验台研制的目的及意义
风能，作为一种绿色能源，日益受到专家学者的重视。
同时，风力发电技术也逐渐成为科研人员研究的热点。
目前风力发电技术发展趋势之一是单机容量不断增大，利用效率提高，大功率（兆瓦级）、并网型机组己成为发展方向。
提高偏航减速器的使用性能和使用寿命，是降低技术成本，提高风场发电能力，高效利用风能的重要手段。
因此，风力发电偏航减速器试验台已经成为当今主流产品。
搭建风力发电偏航减速器试验平台，在试验台上确定了偏航减速器的各种性能参数，达到更好利用对风装置。
1.4风力发电偏航减速器试验台的研究情况
试验室进行风力发电偏航减速器的试验台研究，用电动机控制偏航减速器的驱动运行和加载运行，人们提出了不同的风力发电偏航减速器试验台的方案。
目前主要采用异步电机来驱动风力发电偏航减速器试验台的运行。
风力发电偏航减速器试验台的运行时按照改变电动机的频率来改变电动机的转速，从而实现的偏航减速器试验台的驱动和加载运行，根据发电机转速和风速输出相应的机械功率，输出转矩要能够随风速的变化而变化。
因此偏航减速器试验台需要对电机转矩进行适当的控制。
目前提出的大部分试验台设计方法是基于异步电机的频率控制方法，该方法根据风力机风轮的转矩特性控制异步电机的转矩，具有良好的转矩动态调节性能，但是异步电机的固有缺点限制了该方法的进一步应用。
因此，近年来国外基本上都采用改变异步电动机的频率来设计风力发电偏航减速器试验台，并初步完成了相关具体设计，图1-3为风力发电偏航减速器组。
图1-3风力发电偏航减速器组
1.5本论文研究的内容
风能的利用前景非常广阔，怎样更好地利用发电设备是一个很有意义的研究课题。
本文的选题就是在这样的背景下，由湘潭市江麓机电科技有限公司和湘潭大学一起来设计完成的，结合当前计算机技术、自动检测与控制技术的特点，以检测实用性、操作方便性、使用可靠性为原则，完成整个试验台的设计。
考虑试验环境清洁要求及测试能力的可扩展性，本方案采用电机加载方式。
本文的主要研究内容和章节结构简要说明如下：
第一章阐述了本文的研究背景，国内外风力发电技术的研究现状、风力发电试验台的研究状况及本文的研究意义与研究内容。
第二章提出了偏航减速器试验台设计的要求和功能。
第三章做了偏航减速器试验台详细的设计。
首先讲述了偏航减速器工作的原理，并考虑到怎样合理来设计偏航减速器试验台。
第四章讲述了变频器的工作原理，做了运行控制部分的设计；具体讲述了如何运用PLC来控制整个试验台的运行，并给出了详细的电路及解释。
第五章论述了偏航减速器试验台测试部分的设计。
第六章总结全文，给出结论，并提出了下一步研究的内容。
第二章偏航减速器试验台工作的要求
2.1偏航减速器试验台的基本设计依据
1）测试对象：
2MW风电机组偏航减速器。
2）主要测试数据;输入、输出转速、转矩和功率、转动效率、油池温度、压力，壳体温度、壳体振动、被试件输出小齿轮转速。
3）测试数据精度要求：
温度±1°C,转速±1%,转矩±1%。
4）结构紧凑，外形美观，功能可扩展。
5）偏航减速器输入功率3KW、输入转速940rpm、传动比1330±1%、输出转速0.7-0.9rpm、输出齿轮扭矩24KW.M、工作寿命为满载荷1年。
2.2偏航减速器试验台的基本功能
根据设计要求，通过分析偏航减速器的工作状况，我们拟定在该试验台上，完成偏航减速器空损、加载、超载以及疲劳寿命和峰值载荷五类性能检测。
拟设计的试验台能够实现实现以下几点基本功能：
1）设置偏航减速器测试模块，它的模块分为两个单元，进行“空损+峰值载荷”试验和“加载+超载+疲劳寿命”试验。
2）采用电机加载方式，并实现能量回馈控制。
3）做空损检测时，通过控制台面板开关操作，可完成转速。
转矩检测以及空损效率计算。
做性能测试时，通过控制台面板开关、旋钮等操作，对偏航减速器的正反方向加载系统进行远程控制，以完成对两类减速器的变负荷加载、超载、疲劳寿命等项目的检测。
4）利用数据采集卡完成数据的采集，并通过工控机完成数据的处理（如损失功率估算、传动效率估算等计算），保存、实时显示和打印等功能；同时可以监测整个测试过程，并进行故障报警指示及相应保护；
5）采用工控机对试验台显示系统进行控制，可实时直观地显示测试转速、测试转矩、测试温度等性能参数；
6）本方案符合关键元器件都选择符合国家计量标准的工业级产品，以保证检测结果符合国家各工厂标准。
2.3本章小结
本章首先讲述了本文的总体控制要求，然后提出了偏航减速器试验台控制要实现的基本功能，为下面研究做了很好的铺垫。
第三章偏航减速器试验台方案及其具体设计
3.1试验台整体方案
试验台采用模块化结构，包括偏航减速器测试模块、电机控制模块、测试模块等，测试控制台实现整个系统地远程集中控制和数据检测，电机控制柜为变频器和逻辑控制元器件提供安装平台。
偏航减速器工作状态为垂直安装，在本系统中，偏航减速器仍采用垂直安装方式，并通过法兰与机架相连接。
工作台置于平整的地面上（不需要地脚螺钉）。
考虑到该减速器为大传动比、大扭矩输出，陪试件采用与被试件相同的偏航减速器，两个减速器采用惰轮过渡组成传动系统。
为保证电机、转速转矩传感器、联轴器之间的连续可靠性。
鉴于中间惰轮的拆装难度大、而空损试验台使用频率高，空损试验另外设置一个工位，但驱动电机和及测控系统依旧与加载试验共用一个，以达到资源共享、提高可靠性、降低成本的目的。
3.2偏航减速器试验台工作的原理
偏航减速器试验台包括：
减速器运行控制、减速器输入输出转矩、转速测量、减速器输入输出功率及传动效率、减速器油温、压力、壳体温度、振动等参数检测，异常情况下的报警、保护处理和人为干预；计算机参与全程监测并进行数据记录、分析、显示和打印输出。
根据信号流不同，试验台可分为运行控制系统和测试系统两个相对独立的子系统。
运行控制系统通过对变频电机的控制实现减速器工况的模拟：
控制驱动电机的转速实现减速器输入转速的模拟；控制加载电机的反向转矩实现减速器负荷的模拟。
测试系统通过传感器、仪表。
采集卡和工控机等实现试验参数的检测。
3.3偏航减速器试验台机械部分的具体设计
3.3.1偏航减速器试验台机械部分总体设计
偏航减速器实验台架包括负载实验台架和空载实验台架，并排布置在梯形槽平板上。
梯形槽平板的尺寸为2200×1200，见图3-1。
在梯形槽平板上安装有支撑板、在下支撑板上安装箱体，在箱体上安装有箱体支撑板，在箱体支撑板上安装偏航减速器，在偏航减速器上安装传感器安装架。
在安装架上分别安装转矩转速传感器、驱动（负载）电机，驱动电机与负载电机型号参数完全相同，竖直安装，以保证试验条件与工况条件一致。
在进行空载实验时，偏航减速器安装在空载台架上，其上安装有传感器安装架。
在进行负载实验时，两偏航减速器安装在负载实验台架上，其上分别安装传感器安装架，箱体中的惰轮分别与两偏航减速器的输出齿轮啮合，以传递负载。
图3-1偏航减速器试验台梯形槽
3.3.2偏航减速器负载试验台的设计
1）齿轮部分
<1>偏航减速器输出齿轮
齿轮的材料采用为20CrMnTi，偏航减速器输出齿轮的模数m1=20，齿数Z=12，分度圆直径d=240。
<2>惰轮的设计
由于惰轮和偏航减速器输出齿轮啮合，因此，惰轮和偏航减速器输出齿轮的模数相等，即
。
本设计采用的是偏航减速器输出齿轮和惰轮是在一条直线上啮合传动，所以惰轮的分度圆直径要比偏航减速器输出齿轮要大，同时为了防止根切，取惰轮的齿数
，则惰轮的分度圆直径
。
惰轮的标准压力角
，齿顶圆直径
，齿根圆直径
，齿距
，齿厚为P/2=31.4，齿宽
，齿轮宽
。
惰轮的图形为图3-2。
图3-2惰轮
2）电机的选型
由
，则p输入=p输出=3KW，因此，选用额定功率为4KW的异步电机，偏航减速器的输入转速为940r/min，则电机的额定转速n电≥940r/min，其中
=30.48N.m。
根据偏航减速器转速和扭矩可知：
可选用额定功率为4KW、同步转速为1500r/min、额定转速为1435rpm，型号为112M4A。
3）联轴器的选型
由
=9550
4/1000=38.2N.m，电机转矩Tas=2.5Ta=95.5N.m，由表可知：
都选用型号为ROTEX-24的联轴器，选用钢质材料，其中成品直径d1=28，d2=25。
4）惰轮轴的设计
由综合性能可知，轴的材料选用20CrMnTi。
由于惰轮在运转过程中受到两个相同的切应力，则惰轮轴不受转矩的作用，因此采用许用力法来计算轴的最小轴径（直径）。
式中
——轴的对称循环用弯曲应力（Mpa）
D——计算截面处轴的直径
M——计算截面处轴所受弯矩
T——计算截面处轴所受扭矩
进行轴在结构设计后进行强度校核，根据M、T及d的大小确定危险截面作为计算截面，必要时选几个截面进行校核。
20CrMnTi的抗拉强度为1080MPa，弯曲应力
=480Mpa。
而偏航减速器的传动比为
，则n出=0.8rmp,输出齿轮的扭矩为24KN.M。
<1>轴的受力简图
轴受水平、圆周和垂直方向的力，其受力简图为图3-3，受力简化图为图3-4。
图3-3轴的受力简图
图3-4轴的受力简化图
由于轴承垂直安装，在试验台运行过程中轴承对轴垂直方向的力几乎为零，则相当只受水平方向的力，水平图为图3-5。
图3-5水平受力图
<2>轴的强度校核及轴的最小轴径计算
由
及
式中：
T1——齿轮传递的扭矩
d1——齿轮的分度圆直径
a——啮合角
则Ft=80KN，偏航减速器的重量G=200Kg。
由此可知，
和力偶平衡
由图3-3可知：
齿轮轴受到两个相同方向相同的力，则水平力
扭矩T=0N.m。
惰轮轴受到弯矩的作用，弯矩为:
取I截面：
则
取Ⅱ截面：
则
由弯矩图可知:
在惰轮中间部分所受的力最大，则惰轮轴中间部分所受力最大，此处为危险截面。
当X=163.5时最大，则M=13080KN.mm。
则弯矩图为图3-6。
图3-6弯矩图
由
可知，d≥65，则只要轴的直径大于等于65，轴就达到所需要的强度。
因此，取轴的最顶端的直径d1=110，与滚动轴承相配合的轴直径d2=160，轴的结构图形为图3-7。
图3-7轴的结构图
5）滚动轴承的选择
<1>深沟球轴承
本试验台中轴配合的滚动轴承采用深沟球轴承，选用d=160,D=290,B=48,
Cr=215/KN,轴承代号为6232。
<1>轴承寿命计算
1>求比值
根据机械设计手册表12-7可知：
深沟球轴承的最大e值为0.44，则此时
，所以X=1,Y=0,。
2>初步计算当量动载荷P
根据式
按照机械设计书表13-6可知：
fp=1.0—1.2,取fp=1.2
则P=96000N，C=21500N。
根据式
，其中n=0.8rpm.，可知：
=29705.2（h）。
<2>推力球轴承
由于推力球轴承和d1=110的轴配合，则选用d=110,D=160,T=38。
6）箱体的设计
根据上面做确定的各尺寸可定出箱体的各尺寸，箱体的图像为图3-8。
7）惰轮支架的设计
为了将各零件拆装方便，润滑较充分，惰轮支架放在箱体里面，惰轮支架的图形为图3-10。
8）键的选择
由于键槽要是惰轮和轴定位，则根据机械设计手册可知，键采用L=125，R=45,h=28。
9）支撑板的设计
箱体支撑板根据惰轮支架和箱体的定位可知，设计支撑板的长度L=1450，h=60，B=800。
10）端盖和端盖轴套的设计
端盖的各尺寸是根据让深沟球的内圈定位所确定的，端盖的总长L=373,h=80，其具体各尺寸为图3-9，端盖轴套的各尺寸是根据使深沟球轴承周向定位确定的，其内圈的直径d=280。
图3-8箱体
图3-9端盖
图3-10惰轮支架
11）螺栓、垫片和螺钉的选型
为了让各零件能够装配起来和定位，螺栓选择为M12×60、M16×55、M20×65、M24×100；螺钉选择为M8×50、M20×65、M24×95；垫片选择为M10×2、M12×2.5、M16×3。
12）偏航减速试验台总体图
偏航减速器负载试验台总体工程图为图为3-11，爆炸图为图3-12，实体图为图3-13、3-14，
图3-11偏航减速器试验台总体图
图3-12偏航减速器负载试验台总体爆炸图
图3-13偏航减速器负载试验台实体图
图3-14偏航减速器负载试验台实体图
3.3.3偏航减速器空载试验台的设计
空载试验台中只有箱体和负载试验台不箱体，其它各零件尺寸和选型与偏航减速器负载试验台的设计相同。
其中偏航减速器空载试验台的箱体尺寸为图3-15。
偏航减速器空载试验台的爆炸图为图3-16，实体图为3-17。
图3-15箱体
图3-16偏航减速器空载试验台的爆炸图
图3-17偏航减速器空载试验台的实体图
pleasecontactQ3053703061giveyoumoreperfectdrawings
第六章结论
目前在风力发电测试性能的发展过程中，试验台的检测技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视。
本文主要致力于研究风力发电偏航减速器的试验台，利用异步电动机对偏航减速器进行驱动，并在此基础上对变速器展开理论研究。
总结前面各个章节的介绍，本文主要完成了以下几个方面的工作：
（1）通过阅读大量的相关资料和文献，对目前国内外的风力发电现状及风力发
电试验台的设计及发展动态作了较为全面的阐述。
（2）提出了风力发电偏航减速器试验台的工作要求，确定了本论文的系统实现方案，即三相异步电机驱动偏航减速器。
（3）讲述了风力发电偏航减速器试验台的工作原理及具体各零件的设计，采用三相异步电动机驱动试验台的运行。
（4）讲述了采用PLC控制偏航减速器试验台电动机运行的基本原理；研究了变频器的工作原及控制的方法，画出了电气控制图和程序梯形图。
（5）做了偏航减速器试验台上的测试系统地设计方案的设计，怎样合理选择各检测元件。
由于本人学识水平、实践经验及时间、试验条件的限制，下面内容还需要进
一步的研究与完善:
（1）本文只是初步设计了偏航减速器试验台的软件部分，对怎样运用LabVIEW软件来对计算机控制界面设计还需进一步的研究。
（2）在此试验平台上，需要对各种风力发电偏航减速器试验台上的PLC控制程序进行深入研究。
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