风力机组刚柔耦合多体系统的建模与仿真分析

摘要：风力发电机组系统在运行时产生剧烈的系统振动，对风力机运行精度和零部件的使用寿命有非常大的影响。风力机是一个刚柔耦合的周期时变的多体系统，加上工作环境的复杂性，有必要对风力机进行刚柔耦合动力学分析。运用多体系统动力学方法、模态振动、冲击-接触理论，以750KW型风力机组为研究对象，通过对齿轮传动的仿真分析，得出齿轮啮合力随时间变化的曲线。此外，还将叶片和塔架替换为柔性体，并与齿轮箱、主轴、底座进行刚柔耦合动力学分析，对得到的应力分布图进行应力分析。

关键词：风力发电机组；刚柔耦合；多柔体系统；动力学分析。

Abstract： Wind turbine system will produce severe vibration in run-time, which have a very large impact to running accuracy and component life of wind turbine. As a rigid-flexible coupling and time-varying multi-body system, wind turbine works under the complex environments.Thus,it is necessary to analyze its dynamics features. Take wind turbine 750KW,using the methods of multi-body dynamics, modal vibration and shock–contact theory, curve of gear meshing force changing with time can be obtained through simulation analysis of gear transmission. In addition, after blades and tower are replaced by the flexible ones,system has a dynamics analysis on the rigid-flexible coupling together with the gear box, shaft and base.Based on the stress distribution graph ,stress analysis is carried out.

Keywords: Wind turbine; Rigid-flexible coupling; Flexible multi-body system; Dynamics analysis

中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

引言

风力发电已经成为我国重大发展战略，更是可持续发展战略的一部分[1]。风力发电机作为捕获风能的最佳设备，正引来越来越多的关注和研究[2]。这是由于风能是不可控制的能源，风向和风速时刻变化，为得到更高的风能利用率，就须对风力发电机组（以下简称风力机）的动力系统进行研究。风力机不仅是一个刚柔耦合的多体系统，且工作在环境极其恶劣的野外；作用在风机上的空气动力、惯性力和弹性力等交变载荷使系统产生变形或振动，对风力机的正常运行影响很大，严重时会导致风力机损坏[3]。在风力机工作现场可以看到，750KW机组在启动、停机和风速较大时振动尤其剧烈。其振动主要表现在三个方面：叶片振动，系统振动和塔架振动，而这三个方面的振动特征表现为耦合性[4]。为了确保风力机的稳定性和可靠性，对风力机整机作刚柔耦合动力学研究是很有现实意义的。

1 750KW风力发电机组研究模型的组成

目前风力发电机组多为水平轴式，基本包括叶片、轮毂 (与叶片合称叶轮)、机舱罩、增速齿轮箱、发电机、塔架、机舱基座（又称机舱底盘）、控制系统、制动系统、偏航系统、变桨系统、液压装置等[5]。水平轴式大型风力发电装置的结构简图如图1-1所示。

1—叶片，2—轮毂，3—机舱内框架，4—叶轮轴与主轴连接，5—主轴，6—齿轮箱，7—刹车盘，8—发电机的连接，9—发电机，10—散热器，11—冷却风扇，12—风测量系统，13—控制系统，14—液压系统，15—偏航驱动，16—偏航轴承，17—机舱盖，18—塔架，19—桨叶连接

图1-1风力发电机组结构简图

Figure 1-1Structural diagram of large-scale wind turbine

利用三维实体造型工具SolidWorks和多体系统动力学仿真工具MSC.ADAMS建立750KW风力发电机组系统多刚体动力学模型，主要包括主轴、机舱、底座、发电机模型。在750KW风力发电机组系统多刚体动力学模型基础上，通过ANSYS生成了风机叶片、塔架的柔性体文件，根据实际情况在齿轮箱和叶片上加上了相应的载荷。同时，运用MATLAB来实现电机的反作用扭矩控制。750KW风力发电机组系统刚柔耦合的动力学系统仿真流程如图1-2所示。

图1-2仿真流程

Figure 1-2Simulation Process

2风力机多刚体分析模型的建立及仿真

2.1多刚体模型的建立

采用SolidWorks三维软件进行风力发电机增速齿轮箱的零件建模与整体装配，在SolidWorks中建立了轮毂、主轴、增速齿轮箱、底座三维分析模型如图2-1所示。

图2-1刚体模型

Figure 2-1Rigid model

在刚体模型中，齿轮系统作为将风能转化为电能的重要动力传动部件，是风力机系统运行时能否平稳高效的主要影响因素之一，因此有必要对齿轮进行深入的研究。齿轮的建模是在SolidWorks中完成后导入到ADAMS中，为了使齿轮系统结构紧凑、运行平稳，采用参数化的处理方法进行优化设计，确定齿轮的几何尺寸。

2.2齿轮的建模及动力学仿真

2.2.1齿轮模型的建立

本次设计采用一级行星加二级平行轴结构型式，总传动比i总=67.4，行星结构采用心轮浮动，设各齿轮材料、齿面硬度相同，并取行星轮齿轮传动比为5.04，定轴传动部分传动比为13.373。叶轮转动通过主轴输入齿轮箱，经过加速后传递到发电机。其结构简图如图2-2所示。

图2-2齿轮结构简图图2-3齿轮三维模型

Figure 2-2 Gear structure diagram Figure 2-3 Gear three-dimensional model

2.2.2齿轮传动的仿真