风电机组滑动式偏航系统动力学分析

　　偏航系统可以保证风电机组的叶轮始终处于正面迎风状态，从而能够以最大的效率利用风能，提高发电效率。
　　滑动式偏航机构可以承受更大的荷载，而且省去了刹车及液压装置，逐渐被兆瓦级风电机组采用。但是由于机舱的重力载荷较大、叶片的气动载荷受风随机性的影响而变化复杂，从而导致滑动式偏航系统的滑动块与大齿圈间的摩擦阻尼情况复杂，容易导致偏航减速机载荷过大或滑动块磨损等故障。某2MW风电机组出现了偏航大齿圈磨损严重、风电机组偏航减速箱内部轮齿折断现象。因此，为了保证风电机组运行的稳定性，需要对风电机组的偏航系统的动态特性进行研究。
　　对兆瓦级风电机组偏航系统的工作特性，从运动摩擦学原理进行考虑，分析偏航系统的振动特性 ;从偏航组件的力学强度特性角度考虑，研究偏航组件受载的强度特性和疲劳特性;还有基于偏航控制原理，建立了偏航控制模型，这些成果为研究兆瓦级风电机组偏航系统的工作特性做出了一些成果。
　　本文以某 2MW 风电机组出现偏航系统故障为背景，通过 Bladed 软件模拟出 22m/s 风速下，不同的偏航速度、偏航角度和有无湍流四种工况下的风载荷，将其以数据文件形式导入到不同工况下的偏航系统的 ADAMS 模型中，求解出相应的偏航总驱动力矩，并将得到的偏航总驱动力矩通过均等处理分配到偏航减速箱中，作为偏航减速箱的负载力矩输入，分析偏航角度、偏航速度和风速对偏航减速箱的力学特性影响。
　　滑动式偏航系统
　　滑动式偏航系统主要由机舱、偏航减速箱、偏航轴承、大齿圈、偏航小齿轮等组成。其偏航动作为 ：电机驱动偏航减速箱，带动偏航小齿轮运动，偏航小齿轮与固定在塔架上的大齿圈相互啮合，在滑动式偏航轴承作用下，机舱开始缓慢绕塔架中心旋转，实现偏航动作。
　　一、偏航减速箱模型
　　偏航减速箱的主要作用是增大减速箱输出端转矩，驱动机舱缓慢平稳的偏航。该减速箱采用一级涡轮蜗杆机构和三个 NGW 式行星轮系串联的减速机构。图 1 是偏航减速箱的示意图。　　二、滑动式偏航轴承模型
　　滑动式偏航轴承的主要作用就是维持偏航摩擦，保证偏航稳定性。与偏航大齿圈上表面贴合的 8 块下滑动衬垫，
　　内侧面贴合的8块径向滑板，下表面贴合的八块上滑动衬垫，即为偏航轴承的主要摩擦和润滑部件，它们都是由具有自润滑功能的 PETP 材料制成，此种 PETP 材料的静摩擦系数为0.1，动摩擦系数为0.06。图2偏航轴承的剖面示意图。　　偏航系统的动力学模型
　　本文采用 ADAMS 软件构建偏航系统的动力学仿真模型，求出不同工况下偏航驱动力矩，进而分析偏航减速箱
　　中行星轮系间碰撞力的动态特性。
　　一、虚拟样机模型建立
　　在 Solidworks 软件中首先建立出偏航轴承系统和偏航减速箱装配体的三维模型，根据对偏航工作原理的分析，为了减小模型运行时间，提高计算效率，在对偏航系统进行动力学分析的时候，将偏航轴承和机舱部分与偏航减速箱分开计算。
　　对于偏航轴承系统 ：偏航大齿圈与大地建立固定副约束 ;四个偏航小齿轮分别与机舱上的定位孔建立旋转副约束 ;上滑动衬垫、下滑动衬垫分别与偏航大齿圈之间建立旋转副约束，并各自定义摩擦 ;径向滑板与偏航大齿圈内侧面建立定义接触，与机舱建立固定副约束 ;四个偏航小齿轮分别与大齿圈之间添加接触 ;径向滑板与大齿圈内测面添加接触。对于偏航减速箱 ：三个外齿圈分别与大地之间建立固定副约束 ;一级太阳轮与一级行星架间建立旋转副约束 ;三个一级行星轮分别与一级行星架间建立旋转副约束;一级行星架与一级外齿圈之间建立旋转副约束 ;下一级太阳轮与上一级行星架之间建立固定约束保证行星轮系运动的传递，其余约束与第一级行星轮系的约束相同 ;每个齿轮之间均定义接触。图 3 为添加完约束后的偏航轴承系统和偏航减速箱的虚拟样机模型。　　二、载荷模型
　　对于风电机组偏航来说，主要的偏航阻力来自于两方面，由叶片传递到机舱上的风载荷作用，其中该风载荷对偏航的阻力矩的直接表现为逆偏航方向的阻力矩 ;由于机舱自重、风载荷垂直机舱的作用力、风载荷对机舱的倾覆力矩而导致上滑动衬垫、下滑动衬垫和径向滑板与偏航大齿圈和机舱间偏航时产生的摩擦力矩。