风力机传动链多体系统动力学建模方法研究---应用力学学报.doc

风力机传动链多体系统动力学建模方法研究刘宏1,2，赵荣珍1,2，郑玉巧1,21兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室兰州，730050；2兰州理工大学机电工程学院兰州730050摘要以兆瓦级水平轴风力发电机组传动系统为研究对象，基于多体系统建模理论和集中质量法建立了详细的传动系统动力学模型。首先将传动系统分解成若干子系统，进一步深入细化传动系统内部结构，然后根据子系统动力学模型和边界条件综合得到系统的动力学方程，并通过MATLAB/SIMULINK构建了相应的仿真模型，将此模型应用于15MW风力机传动链进行了仿真计算，分析结果验证了该模型的合理性和有效性。该建模考虑了更多的结构自由度，便于分析系统内部各部件的动力学响应及对整体系统动态特性的影响，为系统内部各部件的优化设计提供了理论依据。关键词风电机组；传动链；多体系统；动力学模型；仿真中图分类号TH132文献标识码A传动系统作为风力发电系统设备的关键装置，其综合动态性能的好坏将直接影响整个风电系统的性能。随着当今风力发电机向高空化、柔性化和结构更优化的方向发展，整机动态特性变得更加复杂，促使人们在风电系统分析模型、性能研究等方面进行深入研究1，并扩展到广泛的领域。因此研究风力机传动系统完整、准确的动力学建模方法对研制具有良好动态特性的风电设备具有重要的理论价值和实际工程意义。国内对风力发电机传动系统建模有一定的关注，但还不充分，其中一个重要原因是建模不准确，导致振动仿真结果失真，从而不能准确指导实际风力机的运行。目前对于风力发电机主传动系统的动力学建模和分析主要是从风轮空气动力载荷和并网时的电网负载给风力机传动系统施加的机械载荷方面展开研究，所以风力机传动系统的模型被简化为很少的自由度。典型的风电机组传动系统只等效为2质量块模型2,3或3质量块模型2,4，模型过于简化而不能考虑传动链中各部件的动力学特性5,6,7，也就无法仿真各独立部件上的动态载荷。这就意味着对传动系统内部各部件如齿轮和轴承的设计上需要更加繁琐的分析过程。另外在机组运行过程中传动系统内部各部件既存在低频振动信号也存在高频振动信号，如果振动频率耦合则会产生明显的噪声干扰并严重影响整个传动系统和整机的寿命8。因此需要深入分析内部结构，较全面的考虑风力发电机传动系统的动态特性。本研究将多体系统动力学原理应用于风力发电机组动力学分析中，从保留传动系统更多部件动态特性的目的出发，细化传动系统内部各结构使计算结果相对一些简化的数学模型较为准确，探讨传动链系统内部结构间的相互作用对系统动态特性的影响。1风力机多体系统动力学建模理论多体系统是指若干物体通过一系列几何约束连接起来完成预期动作的一个整体，如果将系统中每个物体都看做是无变形的，则系统称为多刚体系统，若系统中有些物体必须计算其变形，则成为多柔体系统9。水平轴风力机由风轮、塔架、传动系统和发电机等主要部件组成如图1所示。传动系统包含一个三级齿轮箱2级平行轴和一级行星轮，可以通过由刚体和柔体组成的系统模型来描述。研究10已表明如果将各组成部件全部等效为刚体，不能全面的反应传动链非线性耦合振动特性。塔架机舱底架发电机增速箱叶轮图1水平轴风力机整机结构图采用多体系统级建模理论建立传动链动力学模型，将每一个独立的传动系统部件用一个体代替，使其具有独立的自由度，不同的体之间的连接可以等效为适当的刚度和阻尼。对于风力机传动链中特定模型的等效可描述为以下几种A齿轮啮合所有接触齿轮对在载荷的作用下都存在弯曲变形，这种变形可利用齿轮的啮合刚度和啮合阻尼所替代；B部件柔性在风力机传动链中所有传递扭矩的独立部件在受载例如主轴轴向力、弯矩和剪力作用下会发生形变，这种变形可以利用体与体之间的刚度和阻尼或者柔体模型的综合刚度和综合阻尼所替代；C轴承柔性在重载作用下的轴承变形可采用基金项目国家自然科学基金项目（51165019）；兰州理工大学基金项目（070189）通讯作者刘宏1986，男，博士生，研究方向为风力发电机的多体系统动力学。HONGLIU2006163COM轴承内外圈之间的刚度替代。其建模原理主要是拉格朗日方程为代表的分析方法和高斯原理。本文采用拉格朗日方程建立系统的动力学方程，N个广义坐标系统的拉格朗日方程的形式如1式R1,2,，NEURQQRRQDT2SCHOOLOFMECHANICALANDELECTRONICALENGINEERINGOFLANZHOUUNIVOFTECH,LANZHOU,730050CHINAABSTRACTBYTAKINGTHEDRIVETRAINSYSTEMOFMEGAWATTHORIZONTALAXISWINDTURBINEASARESEARCHOBJECT,DETAILEDDYNAMICALMODELOFDRIVETRAINISESTABLISHEDBASEDONTHETHEORYOFMULTIBODYDYNAMICSANDLUMPEDPARAMETERINORDERTOREFINEITSINTERNALSTRUCTURES,FIRSTLY,DRIVETRAINSYSTEMISBROKEDOWNINTOSEVERALSUBSYSTEMSTHECOMPREHENSIVESYSTEMEQUATIONSAREOBTAINEDWITHTHEBOUNDARYCONDITIONSAFTERMODELINGTHEDYNAMICMODELOFSEPARATECOMPONENTS,THENTHECORRESPONDINGSIMULATEDMODELISESTABLISHEDBYTHEMATLAB/SIMULINKSOFTWARE,ASIMULATIONSTUDYOF15MWWINDTURBINEDRIVETRAINISCONDUCTED,ITSANALYSISRESULTSDEMONSTRATEDTHERATIONALITYANDVALIDITYOFTHEMOREFREEDOMOFSTRUCTURALDEGREESCANBECONSIDEREDWHENUSINGTHISMODELINGAPPROACHITISEASYTODISCUSSTHEDYNAMICRESPONSEOFINTERNALSTRUCTURESANDTHEDYNAMICSEFFECTOFTHESYSTEMFURTHERMORETHISMODELINGPROVIDESLOADCONDITIONSFOROPTIMIZATIONDESIGNOFVARIOUSCOMPONENTSWITHINTHESYSTEMKEYWORDSWINDTURBINE；DRIVETRAINSYSTEM；MULTIBODYSYSTEM；DYNAMICMODEL；SIMULATION通讯作者刘宏（HONGLIU2006163COM）通讯地址甘肃省兰州市七里河区兰工坪路287号兰州理工大学本部机电工程学院730050联系电话13519670073