风力发电机组液压变桨机构运动与强度分析.pdf

2 0 4 机 械 设 计 与 制 造 M a c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 第 1 0期 2 0 1 1 年 l 0月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 1 0 0 2 0 4 0 3 风力发 电机组液压 变桨机构运动与强度分析 冰 张锁怀 贾 坤张平满 上海应用技术学院 机械与自动化工程学院 ， 上海 2 0 0 2 3 5 An a l y s i s o n k i n e ma t i c s an d s t r e n g t h o f t h e h y d r a u l i c p i t c h me c h a n i s m o f a wi n d t u r b i n e Z HANG S u o h u a i ， J I A K u n ， Z HANG P i n g - ma n S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d Au t o ma t i o n E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 3 5 ， C h i n a 【 摘要】 将各个构件的S o l i d w o r k s 实体模型导入 A N S Y S中， 生成柔性体模态中性文件， 将该柔性 体导入 A D A MS中替换原有的刚性体 ， 建立变桨机构的刚柔混合体模型。 利用 A D A MS对风力发电机组 变桨机构的模型进行 变桨精度分析 ， 发现 实际变桨速度和角位移与理论值有一定误差 ， 提 出了在 桨叶 盘上增设位置传感器， 利用传感器发 出的信号控制液压缸动作， 对变桨误差进行补偿 ； 将运动仿真过程 中产生的零件载荷文件 ， 导入 A N S YS中， 对关键零件进行强度分析 ， 指 出了各零件易破 坏位置与最 大 应 力位置 ， 设计 时应注 意保 护 。 关键词 风力发电机组； 变桨机构 ； 运动仿真； 变桨精度 ； 强度分析 【 A b s t r a c t 】 e r t h e S o l i d w o r k s mo d e l b e i n g i n p u t t e d i n t o t h e AN S Y S s o ,w a r e ， t h e l e o fm o d e i s C r e a t e d ， a n d t h e o r i g i n a l r i g i d b o d y i s r e p l a c e d w i t h t h e fl e x i b l e b o d y t o b u i l d a mi x e d r i gid a n d fle x i b l e b o d y m o d e l i n AD A MS ． T h e n k i n e m a t i c acc u r a c y o ft h e p i t c h m e c h a n i s m ofa w i n d t u r b i n e i s a n al y z e d ， w h i c h r e s u l t s s h o w t h a t t h e d if f e r e n c e oft h e p i t c h a n g l e a n d s p e e d e x i s t b e t w e e n t h e act u al and t h e o r e t i c al v alu e d u e t o t h e e l a s t i c d e f o r m ati o n of t h e p a r t s a n d t h e h y d r a u l i c o i l t h e r e f o r e m o n i t o r i n g s e n s o r s a r e p r o p o s e d t o b e fix e d o n t h e b l a d e p l ate and u s e d t o c o n t r o l t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r m o t i o n a n d c o m p e n s ate t h e m o v i n g e r r o r ．A fil e r e l at e d w i t h l o ads i n f o r m ati o n oft h e k e y p a r t s i s c r e ate d a f t e r m o t i o n s i m u l ati o n ． A f t e r t h e fil e b e i n g i n p u t i n A N S Y S ， t h e s t r e n g t h oft h e k e y p art s i s ana l y z e d ． B ase d o n t h e r e s u l t s ， t h e l o c ati o n , w h e r e t h e m a t e r i al W as e asy t o y i e l d o r t h e ma x i mu m s t r e s s e x i s t ， i s f o u n d ， w h i c h s h o u l d b e p r o t e c t e d d u r i n gd e s i g n i n g ． Ke y wo r d s W i n d t u r b i n e ； P i t c h me c h a n i s m ； S i mu l a t i o n； Ac c u r a c y o fp i t c h； S t r e n g t h a n a l y s i s 中图分类号 T H1 1 3 ． 1 ， T H1 3 2 ． 4 1 文献标识码 A ￡ 一 一 1 日 U舌 随着全球性的常规化石类能源 日益短缺和人类环保意识的 增强， 风能作为一种可再生、 绿色能源越来越受到人们关注_ I_ 1 】。 由 于风速变化的随机性 ， 从空气动力学角度考虑， 当风速过高或过 低时， 只有通过调整桨叶节距， 改变气流对叶片攻角， 从而改变风 力发电机组获得空气动力转矩， 才能使功率输出保持稳定。 同时， 风力机的起动过程也需要通过变距来获得足够 的起动转距 。 随着变桨技术的发展 ， 人们已不仅仅满足于提高风力机运 行的可靠性， 而且要追求高的风能利用系数和不断优化的输出功 率曲线 。 然而变桨机构的变桨精度， 不但影响着风力发电机组输 出功率的平稳性 ， 也影响着风能利用率。 因此 ， 对变桨机构进行变 桨精度分析是十分必要的。 ★来 稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 0-k 基金项 目 上海市重点科技攻关项 目资助 0 7 1 1 0 5 1 1 6 程 比模拟过程更复杂， 但是误差在合理范围之内， 说明数值模拟 的结果具有较好的可靠性 ， 能较好的反映实际情况。 5结论 I 有限元模拟与实际管材绕弯实验结果表明， 随着弯曲角 度的增大， 最大截面畸变率也随之增大。 2 有限元模拟与实际管 材绕弯实验结果表明， 随着 R ／ D值的增加， 最大截面畸变率呈下 降趋势 。 3 有限元模拟与实际管材绕弯实验结果表明， 摩擦对圆 管绕弯过程中的横截面畸变影响不大。 4 用 A B A Q U S软件所建 立的有限元分析模型是正确的，用来分析制冷行业中冷凝器、 蒸 发器等中的冷凝管的绕弯成形仿真是可靠的， 有效的。由于实际 加工过程比模拟条件更复杂，可将模拟结果的最大畸变值增大 2 0 ％左右， 确保实际加工过程畸变的有效控制。 参考文献 [ 1 ] 余同希， 章亮炽． 塑陛弯曲理论及其应用[ M] ．北京 科学出版社， 1 9 9 2 ． [ 2 ] 古涛， 鄂大辛， 任颖， 等． 管材弯曲壁厚变形的有限元模拟与试验分析 [ J ] ．模具工业 ， 2 0 0 6 4 1 7 2 0 ． [ 3 ] 何花卉， 鄂大辛 ， 李延民， 等． 管材弯曲成形中横截面畸变的试验及有 限元分析[ J ] ． 现代制造工程， 2 0 0 6 1 1 4 O - 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1 ．6 5 M P a 小于材料屈服强度。图6中最大位移为 6 ． 5 2 l O - 3 mm， 出现在左边圆孔外侧。实际运行当中也是上面两处比较 容易破坏， 在设计中应考虑增加该部位强度与刚度。 图 5连杆应力云图 图 6连杆 方向的位移云图 4 ． 2摇杆的强度分析 由图4曲线 2可知，摇杆角加速度在回程仿真到0 ． 1 s 时出 现突变 。在 a n s y s 中对连杆进行分析 ， 发现 0 ． 1 s 时摇杆的应变与 应 力最大 ， 此时的应力与应变云 图， 如图 7 、 图 8 所示。 图 7摇杆应力云图 图 8摇杆 方 向的位移云 图 从图7中看到， 摇杆的应力最大值出现在右端圆孔外侧 ， 其 值 为 一 7 ． 2 MP a小 于材料屈服强度 。图 8中最大位移 为 O ． 0 8 4 mm， 出现在左边圆孔周 围的底面上。实际运行当中也 是上 面两处 比较容易破坏 ， 在设计 中应予以考虑。 4 ． 3变桨调节架的强度分析 回程仿真到0 ． 1 s 时， 变桨架加速度出现突变。分析发现， 变 桨调节架在回程 0 ． 1 S 时应变与应力最大， 如图9 、 图 l 0所示。 图 9变桨调节架应力云图 图 l 0变桨调节架 方向的位移云图 图9中看到，摇杆的应力最大值出现在右端的两个面连接 处， 如图所示部位， 最大应力值为 5 ． 6 2 MP a 。 从图 1 0可以看出， 变 桨调节架最大应变出现在右侧孔外侧， 其值为 0 ．0 1 6 ra m。实际运 行 当中也是上面两处 比较容易破坏 ， 在设计 中应考虑增加该部位 强度与刚度。 5结论 通过对兆瓦级风力发电机运动仿真和强度分析得到以下结 论 1 通过仿真， 分析变桨运动精度， 结果表明考虑零部件和液 压油弹性时， 变桨机构的变桨效果与理论值有一定误差， 虽然可 以通过采用更好的材料和热处理等方法来改进， 但是不能彻底消 除。 所以建议在桨叶盘上增加位置传感器， 反馈桨叶盘实际位置， 再通过控制系统对变桨进行误差补偿。 2 利用 a n s y s 对变桨机 构中各个构件进行了强度和刚度分析 ， 指出了各个零件容易破坏 的位置， 建议设计时应给予考虑。 参考文献 [ 1 ] 徐斌 ， 王志德．F L 1 5 0 0风 发 } 机变桨轴承故障原 因分析及改进措施 [ J ] ． 能源与环境 ， 2 0 0 8 5 2 5 2 6 ． [ 2 ]白少成 ．浅谈 世界能源危机及 中国的战略抉择 [ J J l实验科学 与技 术 ， 2 0 0 6 1 2 1 6 8 1 7 0 ． [ 3 ] 王东风 ， 贾增周 ， 等． 变桨距 风力发 电系统 的滑模变结构控 制[ J ] ． 华北 电力大学学报 ， 2 0 0 8 1 1 - 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