LMS Test.Lab簡化風(fēng)機(jī)變速箱的測試

根據(jù)世界風(fēng)能源協(xié)會（WWEA）的資料，世界市場中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝量在2011年產(chǎn)生了一個(gè)新的記錄—總共達(dá)到了42萬千瓦，而2010年的安裝量只有37.6萬千瓦。并且根據(jù)初步的數(shù)據(jù)顯示，世界各地的總安裝量已經(jīng)達(dá)到了239萬千瓦左右—占到了全球電力需求的3％。

為了滿足這種日益增長的需求，很快就會需要更多—并且越來越大—的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。但是發(fā)展的加快也面臨著挑戰(zhàn)，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，而且需要在惡劣的天氣情況下運(yùn)行數(shù)十年。這意味著每個(gè)客戶定制項(xiàng)目的設(shè)計(jì)都需要進(jìn)行更多的測試。

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

Moventas公司研究和試驗(yàn)組經(jīng)理Jari Toikkanen先生解釋說，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（AGMA）和歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)等機(jī)構(gòu)嚴(yán)格監(jiān)管的要求。他補(bǔ)充說：“除了進(jìn)行最大的努力進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，渦輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原始設(shè)備制造商們（OEMs）都要求進(jìn)行更多并且比以往都要更詳細(xì)的振動(dòng)試驗(yàn)來檢測產(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(jī)的大型變速箱的振動(dòng)方面，它結(jié)合了行星和螺旋轉(zhuǎn)子來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。另一個(gè)重要的組成部分是連接變速箱與渦輪機(jī)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(dá)到了30噸，直徑達(dá)到2米；長度為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(dá)5噸。

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

周圍的結(jié)構(gòu)或齒輪嚙合的頻率產(chǎn)生的振動(dòng)可能會損壞發(fā)電機(jī)的框架、葉片、驅(qū)動(dòng)軸以及最高可能超過120米的發(fā)電塔。

Toikkanen先生說：“一般來說，我們的目標(biāo)是避免扭矩臂產(chǎn)生80~250Hz范圍內(nèi)的震動(dòng)，其余的結(jié)構(gòu)在400~800Hz的范圍內(nèi)。如果共振的頻率在這個(gè)范圍內(nèi)或接近這個(gè)范圍，工程師可以通過調(diào)整變速箱內(nèi)組件和扭矩臂的幾何位置來改變模態(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(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)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)頻率也會發(fā)生變化，因而使得這個(gè)過程變得非常復(fù)雜—從輸入旋轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)（RPM），微風(fēng)時(shí)或到大風(fēng)時(shí)可能達(dá)到10倍的量。

提高測試效率

為了應(yīng)對各種測試所帶來的挑戰(zhàn)，Moventas公司目前已經(jīng)開始使用LMS Test.Lab軟件—它具有LMS SCADAS 8動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行各種模式的分析測量。該系統(tǒng)包含模式分析所需的各種集成工具：

● 測試設(shè)置；
● 控制；
● 測量；
● 信號調(diào)試；
● 結(jié)果分析；
● 數(shù)據(jù)管理；
● 生成報(bào)告。

據(jù)Toikkanen先生的介紹，內(nèi)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?yún)?shù)，并顯示整個(gè)過程如何進(jìn)行。這種簡化的操作方式能夠更快地進(jìn)行測量。

該系統(tǒng)的在線監(jiān)測功能還能夠提高測試的效率，Toikkanen先生說：“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(jié)果，我們可以在現(xiàn)場驗(yàn)證測試，得到每一次錘擊后結(jié)構(gòu)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(yīng)用對Moventas公司的工程師來說是非常重要的，動(dòng)畫模擬狀態(tài)與頻率響應(yīng)函數(shù)（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(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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(yīng)工程項(xiàng)目

Toikkanen先生說，不同配置的軟件包可以進(jìn)行常規(guī)的測試，可以“在幾天內(nèi)而不是幾周”內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)需要一個(gè)更快的周期時(shí)，模態(tài)測試可以在早上運(yùn)行，在同一天內(nèi)得到并記錄分析的結(jié)果。

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

在一個(gè)項(xiàng)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(jī)生產(chǎn)商所需要的關(guān)鍵疲勞壽命分析。這項(xiàng)分析需要檢查兩個(gè)主要的渦輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)圓柱形的變速箱組件—扭矩臂和齒輪行星架—預(yù)計(jì)將承受超過20年的運(yùn)作負(fù)載壽命。LMS的工程師為組件和應(yīng)用單位的負(fù)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(fù)載時(shí)間被使用在耐久性模擬軟件（LMS Virtual.Lab）中，以預(yù)測基礎(chǔ)材料的疲勞壽命。

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

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