兆瓦级风力发电机液压偏航系统阀块设计与AMESim模型仿真.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 5 ． 2 0 1 5 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 2 2 兆瓦级风力发电机液压偏航系统阀块设计 与 AME S i m模型仿真 谢 辉 ， 闫利文 ， 艾存金 ， 王福 山 1 ． 天津市精研工程机械传动有限公司， 天津 3 0 0 4 0 9 ； 2 ． 天津职业技术师范大学 天津市高速切削与精密加工重点实验室， 天津3 0 0 2 2 2 摘要 针对现行的 1 ． 5 兆瓦级风力发电机 ， 设计出一套相应的液压系统， 使用 U G三维软件对该系统的偏航模块阀块部分进行了设 计。使用 A ME S i m软件建立了偏航液压系统模型并对其仿真分析。 关键词 风力发电机； 液压系统； U G； 阀块设计； A ME S i m 中 图分 类号 T H1 3 7 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 5 0 0 6 5 0 3 M e g a wa t t Ⅵ， i n d u 1 ． b i ne Ya w S ys t e m De s i g n o f Hy d r a ul i c Va l v e Bl o c k a nd AM ES i m M o d e l Si mul a t i o n X ／ EHu i ， Y A NL i w e l l 2 , A 1C u n -j i n 2 , W A NGF u s h a n 1 ． T i a n j i n J i n g Y a n C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y T r a n s mi s s i o n C o ． ， L t d ． ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 9 ， C h i n a ； 2 ． T i a n j i n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ． ，T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o ft h e c u r r e n t 1 ． 5 me g a wa R wi n d t u r b i n e ， d e s i g n e d a s e t o f c o r r e s p o n d i n g h y d r a u l i c s y s t e m， Us e d UG 3 D s o ft wa r e t o d e - s i gn t h e y a w mo d u l a r v a l v e b l o c k p a r t o f t h e s y s t e m ．Us e d AM E S i m s o ftwa r e t o e s t a b l i s h t h e y a w h y dr a u l i c s y s t e m m o d e l a n d a n a l y s i s e d t h e s i mu l a t i o n r e s u l t ． Ke y wo r d s wi n d t u r b i n e ； h y dra u l i c s y s t e m ； v a l v e b l o c k d e s i gn ； AM ES i m 0 引言 目前 ， 国内生产的兆瓦级风力发电机 中 ， 液压系统 主要具有 以下两个 功能 ， 主轴刹 车液压系统和偏航刹 车液压系统 。其 中主轴刹车 的主要功能是对风力发 电 机高速轴进行制动 ， 偏航刹 车系统 可配合偏航系统完 成制动 、 偏航 、 解 缆 。文章针对 国内某 型号 1 ． 5 兆瓦风 力发电机 ， 设计了一套相应的新型液压系统 ， 重点阐述 了该液压 系统 中偏航模块 的的阀块设计过程 ， 并对偏 航 液压系统 A ME S i m模 型的仿 真结果进行分析 。在分 析中 ， 通过改变压力油 口节 流 口的尺寸 ， 观察偏航制动 液压缸运动规律 ， 找 出最适节流 口尺寸 ， 保证偏航过程 安全 、 可靠 。 基 于 螺 纹 插 装 阀在 液 压 阀 块 中 的 应 用 ， 采 用 A M E s i m软件可以方便的通过改变各类插装阀的阀系 数对液压系统模型进行仿真n 1。尤其是阀块 中节流孔 与螺纹 阀的选用 ， 可 以参照 A ME S i m软件对系统 的仿 真结果进行调试与选型。 基金项目 天津市科技计划支撑项 目 1 2 Z C Z D G X 0 4 1 0 0 收稿 日期 2 0 1 5 0 2 1 2 作 者简 介 谢 辉 1 9 8 1 一 ， 男 ， 天津 人 ， 高级工 程师 ， 学 士 ， 研 究方 向为液 压 系统设计 。 1 液压系统工作原理 图 1 为液压系统 的原理 图 ， 液压系统 由供油模块 G Y、 偏航刹车模块 P H和主轴刹车模块 z S 组成 ， 主要完 成对偏 航制 动油缸 和主轴制 动油缸两 种制动器 油缸 的多种控制。图中偏航刹车模块 P H对偏航制动器油 缸 的控制包括全 压制动 控制 、 半压 制动控制 、 解 缆控 制。主轴刹车模块主要控制制动器油缸完成对主轴 的制动 ] 。 G Y 一 供油模块P H 一 偏航刹车模块z s 一 主轴刹车模块 图 1 液压 阀块 系统 原理 图 液 压 气 动 与 密 封 ／20 1 5年 第 05期 偏 航刹 车系统 的功能 有 偏航制 动 、 偏 航 、 解缆 。 偏航制动 风力发 电机正常工作时 ， 高压油 由进油 口P 进入系统， 经单向阀9 ．4 流人两位三通电磁换向阀9 ． 1 ， 此时 9 ． 1 不得 电， 与此 同时两位两通换 向阀9 ． 7 也不得 电， 高压油流人偏航制动器油缸 ， 制动器处于全压制动 控制 ， 制动器夹紧完成偏航制动。偏航 当风力发电机 需要对风时， 9 ． 1 得电， 9 ． 7 不得电 ， 偏航制动器油缸 内的 油液经溢 流 阀9 ． 3流入油箱 ， 制 动器处 于半 压制动状 态， 偏航动作开始。解缆 当风机出现电缆缠绕时， 9 ． 1 、 9 ． 7 同时得 电， 制动器油缸 内的油液经 9 ． 7 流 回油箱 ， 制 动器处于解缆控制 ， 风机进行解缆 。 2 偏航系统液压阀块设计 根据液压系统的工作原理 ， 其每个模块可 以分别 设计成 阀块 的形式 ， 以此来 实现 系统 的简化 ， 同时 可 以减小系统的体积， 便于系统泵站在风机机舱内的安 装在此 只详细介绍偏 航模块液 压制动模块 的设计方 案l2 ] 。 系统技术要求如下 系统最大工作压力 1 6 M P a ， 最 小工作压力 1 4 MP a ， 系统最大压力 2 0 MP a ， 主轴刹 车工 作压力 1 0 M P a ， 主轴刹车最大压力 1 1 M P a ， 偏航残余压 力 1 ． 5 MP a 。本设计采用 U G三维造型软件 ， 可 以直观 的看 出各设计管路的连接 。 孔道 ， 由阀块孔道设计公式 ⋯ ㈩ 式中D 一孔道直径 ， 单位 mm； p 孔道内液流最大工作流量， 单位Um i n ； 孔道内液流速度 ， 单位 m ／ s 。 一 般工作管路推荐流速为 8 m ／ s ， 回油管路推荐流 速为 4 m／ s 。泵站 中液压泵的流量为 1 ． 5 L ／ mi n ， 所 以代人 公式油孔可取标准值 I O m m。 壁厚 孔问壁厚可按公式 2 进行校核， 考虑到集 成阀块上的油孔细而长 ， 钻孔加工 时可能会钻偏 ， 实际 壁厚应在计算基础上适当取大一些。 ≥-p d n 2 ZO “ b 式 中6 孔问壁厚 ； p 孔道最高工作压力； 压力油孔道直径 ； n 安全系数 ； o r 一阀块材料抗拉强度 。 偏 航刹车模块 主要功能为完成偏航系统需要的三 种压力控制 ， 偏航 阀块尺寸为 5 5 m mX 1 0 0 m mX 7 5 mm， 其 阀块管路设计如图2 所示 ， 各元件安装位置与液压原理 图中元件代号相对应。需要注意的是 ， 图 2 中 为测压 接 口， 可实时观测系统压力是否保持在额定压力之 内。 仿真 主要针对偏航刹车过程 中， 液压缸 的运 动输 出。因为制动过程需要的力和速度变化都较快 ， 且有较 大冲击 ， 所以需在进油 口处加一个节流 口以缓冲冲击 1 。 4 一 进油节流孔P 一【司油 口9 ． 1 - 两位 三通换 向阔9 ． 7 - 两位 两通换 向闽 图 2 偏航刹车 阀块 3 偏航模块 A ME S i m仿真与研究 1 偏航液压系统 A ME S i m模型的建立 本文运用 L MS I ma g i n e ． 1 a b A ME S i m R e v l 0 多领域仿 真软件对设计系统进行建模 ， 进入 A ME S i m软件运行环 境 ， 在 s k e t c h 草 图模式下 ， 分别调用软件 系统 中的机械 库、 信号库和H C D 液压元件设计库中的相应元件， 建立如 图3 所示的兆瓦级风力发电机偏航模块液压系统A ME S i m模型。由于本次方针重点在于研究偏航制动液压缸的 运动与入油 口出节流 口尺寸的关系， 所以油缸与节流 口 都通过 H C D液压元件设计库进行独立选用与设 。 磁阀 图 3 偏航模块液压 系统模 型 2 参数设置与系统控制 在兆 瓦级风力发 电机 中 ， 对于整个偏航制动系统 来说 ， 所需制动器数数量为 7 个 。对单个制动液压缸 ， 两块 夹钳制 动力 1 6 2 8 0 0 N， 夹 紧力为 2 0 3 5 0 0 N。仿真 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 5 ． 2 0 l 5 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 2 3 机械密封安装 问题的分析研究 李凤成 ， 丁思云 ， 沈宗沼， 李 香 合肥通用机械研究院， 安徽 合肥 2 3 0 0 3 1 摘要 该文分析研究了机械密封在安装使用过程中可能出现的问题， 以及这些问题造成机械密封失效的原因和机理。提出了机械 密封的正确安装方法及措施 ， 使机械密封各泄漏点都保持正常的密封性能， 为其长周期的可靠运行提供了保证。 关键词 机械密封 ； 安装； 失效； 长周期 中图分类号 T B 4 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 5 0 0 6 7 0 3 Ana l ys i s a n d S t u d y o n I n s t a l l a t i o n o f M e c h a n i c a 1 S e a l L I Fe n g - c h e n g , DI NG S i - y u n ， S HEA r Z o n g - z h a o ， L I X J a n g He f e i G e n e r a l Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e ． He f e i 2 3 0 0 3 1 ． C h i n a Abs t r a c t T h e p a p e r a n a l y z e d a n d s t u d i e d t h e p r o b l e m s o f me c h a n i c a l s e a l s th a t ma y o c c u r d u r i n g i n s t a l l a t i o n ， a n d c a u s e s a n d me c h a n i s m s o f the me c h a n i c a l s e a l s f a i l u r e c a u s e d b y t h e s e p r o b l e ms ． P r o p o s e d me tho d s a n d me a s u r e s o f me c h a n i c a l s e a l s i n s t a l l e d c o r r e c t l y , t o ma k e the m e c h a n i c a l s e a l s a l l l e a ks p o i n t t o ma i n t a i n n o r m a l s e a l i n g p e r f o rm a n c e ． p r o v i d e a g u a r a n t e e f o r me c h a n i c a l s e a l s h a v e a l o n g p e rio d o f r e l i a b l e o p e r a t i o n ． Ke y wo r d s m e c h a n i c a l s e a l s ； ins t a l l a t i o n ； f a i l u r e ； l o n g p e rio d O 前言 机械密封， 即端面密封 ， 其至少有一对垂直于旋转 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 1 9 作者简介 李凤成 1 9 8 5 一 ， 男 ， 甘肃定西人 ， 助理_丁程师， 硕士， 主要从 事机械密封和流体机械设计及数值计算研究。 - - - - - - - - 模型中的其他参数设置如表 1 。 表 1仿真主要参数 轴线的端面， 该端面在流体压力及弹性元件 弹簧或者 金属波纹管 补偿弹力的作用下， 依赖辅助密封件的配 合 ， 与另一端保持贴合， 并相对滑动， 从而达到密封的 作用 。机械密封 由于其运行 可靠 、 寿命长 、 泄漏量小 、 功率损耗低、 对轴的磨损量小等优点被广泛应用n 1 ， 不 但对节能减排有着重要的现实意义， 而且有效地减少 油液密度 油液运动粘度 体积弹性模量 泵排量 9 0 0 k g ／ m 4 0 mm％ 1 7 0 0 MP a 1 ． 6 L ／ mi n 电动机功率溢流阀1 开启压力溢流阀2 开启压力液压缸活塞大经 0． 6 5 k W 21 MP a 1 ． 5 MPa 1 2 5 mm 液压缸小径液压缸行程 电磁阀1 流量 电磁阀2 流量 62 ． 5 ram 1 0 mm 1 1 L 1 0 L 在负载一定 的情况下 ， 分别取 节流 口尺寸为 5 m m、 1 0 mm、 1 5 mm、 2 0 mm， 分 析可知在初始 1 ． 5 s 过程 中节流 口尺寸对质量块运动速度影响差别不大， 但是 2 s 之后 节流 口尺寸为5 m m时 ， 运动相对平稳 ， 对系统冲击较 小 。因此节流 口尺寸可选用 5 mmt 1 。 4 结论 1 液压阀块的使用不仅简化了液压系统的设计 和安装， 而且实现了液压系统的集成化和标准化， 降低 了制造成本， 提高了系统的可靠性。 2 兆瓦级 风力 发 电机液 压 系统 阀块孔 道多 ， 结 构复杂 ， 利用 U G三维软件的建模功能有效地提高了 工作效率 ， 缩短 了设计周期 ， 同时使用 A M E s i m软件 对 阀块 与插 装 阀构 成 的液压 系 统进 行仿 真 ， 可根 据 结 果对 阀块 与插 装 阀及 时进 行调 整 ， 并且 便 于修 改 与验证嘲 。 3 实际运行 中 ， 可合理选用 5 m m流 口， 优化 系统 使其运行平稳。 参考文献 [ 1 】 Mu s c u l a r P ， H o f f ma n n R ． C o m p a ri s o n o f Wi n d T u r b i n e s R e g a r d i n g T h e i r E n e r g y G e n e r a t i o n [ R ] ． 2 0 0 2 I E E E 3 3 t h An n u a l P o we r E l e c t r o n i c s S p e c i ali s t s Co n f e r e n c e ， 2 0 0 2 ． [ 2 】 B i mal K ． B o s e ． E n e r g y ， E n v i r o n m e n t a n d A d v a n c e s i n P o w e r E l e c t r o n i c s [ J ] ．I E E E T r a n s P o w e r E l e c t r o n i c s ，2 0 0 0 ， 1 5 4 6 8 8 7 01 ． [ 3 ] 付永领 ， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真一从入门到精通 【 M 】 ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 【 4 ] 苏绍禹． 风力发电设计与运行维护[ M] ． 北京 中国电力出版 社 。 2 0 0 2 9 - 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