AMESim与MATLAB在兆瓦级风力发电机制动系统液压锁紧装置建模及研究中的应用.pdf

液 压 气 动 与 密 ．4 11 - ／20 1 5年 第 0 4期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 2 0 A ME S i m与 MA T L A B在兆瓦级风力发电机制动 系统液压锁紧装置建模及研究中的应用 闫利文 ， 艾存金 ， 王福 山 ， 谢 辉 1 ．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 ； 2 ． 天津市精研工程机械传动有限公 司 ， 天津 3 0 0 4 0 9 摘要 作为一个兆瓦级风力发电机制动系统 ， 除制动装置外 ， 在适当的位置还应设有风轮的锁定装置 ， 以确保在正常制动系统失效 情况下风机在不会突发的再次启动。针对该问题文章设计了一套液压锁紧装置， 并分别采用AME s i m和MA T L AB软件对其进行了研 究与分析 ， 并比较了两种分析软件在液压系统研究中的不同。 关键词 风力发电机； 制动； 液压锁紧； AME S i m； M A T L A B 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 4 ～ 0 0 6 6 0 4 Ap p l i c a t i o n o f AM ES i m a n d M ATLAB o n M o d e l i ng a n d S t ud y o f M e g a wa R 、 i n d Tu r bi n e Br a k e S ys t e m Hy d r a ul i c Lo c k i n g De v i c e Y A NL i w e l l ， A I C u n -j i n ， W A NG F u s h a n ， XI E 产 1 ． 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 ， 3 0 0 2 2 2 T i a n j i n ， C h i n a ； 2 ． 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 ． ， 3 0 0 4 0 9 T i a n j i n ， C h i n a Abs t r a c t As a me g a wa t t wi n d t u r b i n e b r a k i n g s y s t e m ， i n a d d i t i o n t o t h e b r a k ing d e v i c e， t h e r e s h o u l d a l s o h a v e a l o c k i n g d e v i c e i n the a p p r o p r i a t e p o s i t i o n ， I n o r d e r t o e n s u r e n o t b urs t s t a r t a g a i n d u r i n g n o r m a l b r a k i n g s y s t e m f a i l u r e ．Ai mi n g a t t h i s p r o b l e m， we d e s i g n e d a s e t o f h y d r a u l i c l o c k i n g d e v i c e ， u s e d AMES i m a n d MAT LAB s o ft wa r e t o r e s e a r c h an d an a l y s i s the h y d r a u l i c l o c k i n g d e v i c e ， c o mp are d t h e diff e r - e n c e b e t we e n t wo o f the m i n the r e s e arc h o f h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s wi n d t u r b i n e ；b r aki n g s y s t e m； h 3 dra u l i c l o c k i n g d e v i c e ； AMES i m； MATL AB O 引言 风力发电机的制动分为两部分， 即气动制动和机 械制动。其中机械制动是通过液压系统控制的， 这种 制动系统安全可靠。如果没有安全可靠的制动系统 ， 随着风速的增大或者受到其他不可抗力的作用 ， 都有 可能造成风力发电机的损坏 ， 液压制动控制系统在保 证风力发电机组的启动和停止、 正常运行和发电和防 止事故发生起着不可替代的作用。为了提高系统的安 全系数 ， 在传统液压制动系统的基础上加上一个液压 锁定装置， 确保风力发电机在停止后 ， 不会由于受到外 力的作用而重新开始运转 ， 保证了在风力发电机机舱 内的工作人员的安全。 同时在对该锁紧装置进行液压系统建模时， 通过 研究发现可以分别采用A M E S i m软件和M A T L A B 软件 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 闰利文 1 9 6 7 一 ， 男 ， 内蒙古凉城人， 教授 ， 工学博士， 研究方向 为机电液一体化。 6 6 对系统进行建模 与仿真 ， 其建模原理分别是 使用 A M E S i m软件建模时不需要对组成系统的各元件数学 模型进行过多分析 ， 但是需要对各元 件的实际参 数进 行计算 和设 置 ； MA T L A B对液压系统 的建模则 是基于 对液压系统各元件和整体模型的微分或偏微分方程进 行求解， 得出系统方程后， 建立系统传递函数 ， 然后通 过特定输入与输出参数的代换， 得出仿真结果。 本系统分别采用两种软件建模并分析其仿真结 果 ， 从建模简易程度， 仿真结果精确性方面 ， 比较两种 软件的性能。 1 锁紧装置制安装位置 图1 为制动系统机械结构原理图， 该制动系统包含 了一级制动装置 3 低速轴制动器 和二级制动装置 8 高速轴制动器 ， 各级制动装置既可独立地工作也可以 协调动作 ， 其中一级制动装置可以为另一级制动装置 在失效的情况下 ， 起到保护的作用。1 2 液压锁紧装置 安装在7 高速轴制动盘下方的基座上， 安装位置以制动 盘上 的制动孔为基准。 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 4 ． 2 01 5 l 一 轮毂2 一 低速轴3 一 低速轴制动器4 一 低速轴制动 盘5 一 齿轮箱 6 一 高速轴7 一 高速轴制动盘8 一 高速轴制动器9 一 发电机 1 0 - 偏航机构1 卜桨叶安装处1 2 一 液压锁紧装置 图1制动系统机械结构原理图 2 锁紧装置结构 兆瓦级风力发电机主轴锁定机构， 涉及机舱、 主 轴 、 制 动盘 ， 在制 动盘 的外 围有一 圈均匀分 布 的锁 紧 孔 。在机舱上设计有另一个 锁紧孑 L ， 该锁 紧孔 与制动 盘上任何一个锁紧孑 L 都是同轴的， 当检测发现锁紧销 连接的两个锁紧孔对正时 ， 液压缸推动锁紧销伸 出 ， 实 现高速轴主轴的锁定。锁紧机构最主要的是包含三部 分 锁紧销、 液压缸和底座总成 ， 安装位置及组成如图 2 所 示 。 8 制动盘 b 底座 c 装配图 图2 锁紧机构安装位置 锁紧装置液压系统原理图如图3 所示， 合理的液压系 统必须要能实现锁紧液压缸的快进、 工进和快退的功能。 所以在锁紧液压缸的整个整体液压系统中， 液压系统的基 本回路包含调速回路、 换向回路和进油调压回路 ” 。 2 3 l 4 5 3 ． 2 卜锁紧液压缸2 一 三位四通比例阀 3 一 油箱4 一 单向阀 5 一 溢流阀 6 一 驱动电机7 一 液压泵 图3锁紧装置液压系统原理图 3 锁紧液压系统 阀控缸理论分析 如图4 所示 ， 液压锁紧机构为典 型的对称 四通阀控 制不对称液压缸 。可先假设三位 四通电比例阀为零开 口对称滑 阀， 因为液压缸 为不对称液压缸 。可以推出 系统基本方程如下翻 ， 通过基本方程可以推导出系统的 传递函数， 解算后代人M A T L A B 进行建模仿真。 图4 阀控 缸原理图 1 线性流量方程 g K q 一 K o 。 P 1 式 中 ， 流量增益 ； K 流量压力增益 ； 阀芯位移 ； P 。 ． 负载压力。 2 负载流量连续性方程 警 告 c tp 式 中A 无杆腔活塞面积 ； A 有杆 腔环 形面积， n 孚 ； 卢 。 油液体积弹性模量； 总压缩体积； Y活塞移动距离 ； C 液压缸总泄露系数 。 3 液压缸力平衡方程 m 一 d y Ky d t d tF 1 ‘ 3 式 中P 进油 口压力 ； 日 阻尼器阻尼系数 ； 弹簧弹性系数。 4 系统传递函数为 一y s 一 U B X v 吾 s C t g o。 4 6 7 液 压 气 动 与 密 封 ／20 1 5 三 ， 第 0 4期 4 锁定装置液压系统A ME S i m仿真与分析 将上述液压原理图用 A M E S i m软件进行建模仿 真 ， 可得 出兆瓦级 风力发 电机 液压锁 紧装 置 AME S i m 模型如 图5 所示。 图 5 液压锁紧装置 A ME Si m模型 在本系统中， 要求分析液压锁定装置的稳定性， 根 据此控制要求 ， 对系统输入如图6 信号， 其中图6 a 为三 位四通比例换向阀的输人信号， 图6 b 为负载力的输入 信号 ， 因负载力只有摩擦力 ， 且为恒值 ， 则可输入相关 的参数 。控制要求为快进 ， 然后工进 ， 到达行程 为 0 ． 0 8 m时实现锁紧。 - 3 5 0 -3 60 -3 70 - 3 80 - 3 90 - 4 00 9 矗 f 9 镛8 8 时I 瑚／ s 时间 ／ s a 三位四通比例换向阀输人信号 b 负载力的输入信号 图6输入信号与活塞移动距离 根据以上输入信号 ， 可以得出锁紧液压缸的速度 如图 7 a 所示 ， 活塞移动距离如 图7 b 所示口 1 ， 由锁紧液压 缸输出可以看出其运动符合要求。 _ _ 0 - 0 曼一 0 褪一0 j l ； i 一 0 一 O 时间 ／ s 时I 圈／ s a 液压缸活塞杆速度 b 活塞移动距离 图7液压缸活塞杆速度与移动距离 5 锁定装置液压系统MA T L A B 仿真与分析 由于本系统是一个对称阀控制非对称液压缸液压 系统， 虽然采用M A T L A B 对其分析时相对复杂， 但是为 了更好的与上述A M E S i m模型进行对比， 建模与仿真过 6 只 程是在尽量保持系统实际工况参数的条件下进行的 。 表 1兆瓦级风力发电机锁紧装置液压动力机构参数 参数数值 单位 参数数值 单位 A． 1 2 ．2 7 21 0 m c d 0．61 A2 5 ．91 21 0 m ∞0 ． 0 23 7 ／ ／0．48 6 ． 8 5 1 0 。 P 。 2 0X 1 0 Pa B 8 0 0 m 1 5 0 1 g P 8 5 0 k g ／ m F 2 5 7 k N K 4 0O o o N ／ m 1 2 ． 3 5 6 21 0 m C 。 3X1 0 “ Po 0 P a c 0 r 51 0 一 m 1 3 7X1 0 ～P ‘ S 由表 1 ， 将参数代入， 用M A T L A B 编写m文件， 并运 行 ， 结果如图 8 所示。 _o _o 芒_ o 要 _o -0 遮厦 ， m s 距离 ／ m a 液压缸活塞杆速度 b 活塞移 动距 离 图8系统响应曲线 6结论 由液压锁紧装置A M E S i m模型仿真结果图7 可得， 此系统响应速度快 ， 可在规定时间完成快进与锁紧的 动作， 速度符合预期要求， 可在 1 0 s 内完成快进， 工进时 长为 1 7 s ， 且系统结构简单， 安全系数高。而图8 是将所 有参数代入M A T L A B 后， 通过建立方程 ， 解算出系统的 传递函数 ， 运行得 出的时域响应 曲线 ， 由图 8曲线可得 出系统稳定 的结论 。 同时分析可知 ， 在用 A ME S i m软件对 锁紧装置 液 压系统进行分析时 ， 可以直接跳过M A T L A B软件使用 中繁琐的数学计算和建模 ， 而且通过对元件系数的设 定 ， 可以相对精确的还原系统的实际工作情况， M A T ． L A B 软件 由于采用的是传递函数法建模 ， 很多参数无 法进行精确设置 ， 只能采用近似计算 ， 通过图7 与图8 仿真结果对比， 可以看出与A ME S i m软件相比精确度 有一定差距 ， 且函数求解过程复杂， 不适合本系统这类 简单液压系统模型嘲 。 参考文献 1 1 杨益明， 王庆 ， 刘奕贯． 负载敏感节流调速回路的建模与仿 真[ J ] ． 设备管理与维修技术 ， 2 0 1 0 ， 1 0 8 1 8 4 ． [ 2 1 C WE C ． G l o b a l Wi n d R e p o r t A n n u m Ma r k e t U p d a t e 2 0 1 1[ r U O L I ． Ha m b u r g G r a f i kI l l u s t r a t i o n ， 2 0 1 2 3 0 3 4 ． 下转 第 1 4 页 液 压 气 动 与 密 J 0 “ ／20 1 5年 第 0 4期 一t 三 一 l 5I _ ／ m 1 n ” - ■啊 ●■■■_ 一 啊嘲 冁_啊 嘲喇曝■■目 l 胃 孵 I I I J I I I 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 ．0 9 0 l O O U s 图 6 不 同调 速阀流量下液压缸运行速 度 为进一步分析 ， 将调速阀流量 3 L ／ mi n 以下 ， 液压缸 运动速度进行局部放大 ， 见图7 。液压缸运动速度 随时 间的增 大振 动频率越来越快 ， 振动 幅值越来越大 。二 位二通 阀的输人信号见图 8 ， 6 ． 6 s 之前该 阀一直处 于开 启状态 ， 6 ． 6 s 后该 阀在开启和关 闭之 间来 回切换 ， 且切 换频率越来越快 。 l o 3 2 8 2 6 呼 2 4 2 ．2 2 ． 0 1 8 如 图7 调速阀 3 L ／ mi n 条件 下液压缸速度 心 地 66 O 6_ 8 O 7 0 0 7 2 O 74 0 U s 图8 调速 阀3 L ／ min条件下二位二通 阀的输入 信号 4 问题分析与结论 由图7 和图 8 可知 ， 在不断增大液压缸承受负负载 和调速 阀产 生背压的作用下 ， 液控单 向阀 B口压力 P 和A口压力p A 逐渐升高， 当达到一定程度后， 液控单向 阀趋向关闭， P 下降， 液控单向阀打开， p A 升高 ， 液控单 向阀趋向关闭⋯⋯液控单向阀不断在开启和关闭之间 切换 ， 从而造成液压缸运行速度振 动并导致 系统 发生 强烈振动噪声 。 为了避免液控单 向阀A口压力对阀开启与关闭的 影响， 首选方法是将调速阀移至液控单向阀和液压缸 之间， 使液控单向阀的出口直接通过换向阀回油箱 一 ， - - - - - 上接第6 8 页 【 3 】 付永领， 祁晓野．AME 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 ． 1 4 但因系统本身结构限制， 此方法无法实现， 故采用华德 公司生产的某 型号外 泄式液 控单 向阀 ， 减小液控单 向 阀出 口压力 p A 对液控单向阀开启 的影响。 由式 7 和式 8 可知 ， 外泄式液控单 向阀和 内泄 式液控单向阀数学模型相同， 将外泄式液控单向阀的 参数 l 1 0 1 7 mm 2 , A 2 l 1 3 m m2 , A 3 3 4 6 m m2 , F ,, 1 5 2 ． 5 5 N 代人仿真模型得到不同调速 阀流量 1 ．5 、 3 、 4 ．5 、 6 L ／ m i n 下 ， 液压缸 的运行速度仿真结果如 图9 所示 。由图 9 可见 ， 液压缸在整个运动过程 中运行速度平稳 ， 没有 发生图 6 所示 的速度振荡现象 ， 初步证 明此措施有效 。 并且将该外泄式液控单 向阀更换于系统后进行 了多次 试验 ， 因试验条件 限制 ， 无法采集油缸的运行速度 ， 但 通过观测 ， 液压 系统运行正常 ， 无异常噪声 ， 进一 步证 明了此措施 的正确性 。 哆 g ＼ 2 0 3 ． 0 4 0 5 0 60 70 8 0 90 1 00 如 图 9 不同调速 阀流量 下液 压缸 的运行速度 在液压缸承受 变化负负载的工况下 ， 采用液控单 向阀位于调速 阀和液压缸之间 的调速 回路时 ， 一般选 择开启 比大 的外泄式液控单 向阀 ， 否则液控 单 向阀在 调速阀产生的背压和负负载产生的压力作用下容易发 生不断 的开启和关 闭变化 ， 造成液压系统产生较大振 动噪声 ， 严重时液压缸可能产生抖动现象 ， 影响系统正 常功能的实现 。 参考文献 [ 1 】 王文深， 张纪良． 平衡 回路中液控单向阀反向开启控制压力 的计算与分析[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 0 3 ， 8 6 3 6 4 ． [ 2 】 付永领． A ME S i m系统建模与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 ． [ 3 ]3 韩桂华． 液压系统设计技巧与禁忌【 M】 ． 北京 化学工业出版 社 。 2 0 1 2 ． 【 4 】 北京华德液压工业集团有限责任公司． 方 向阀系列技术样 本【 z ] ． 北京 北京华德液压工业集团有限责任公司， 2 0 1 2 ． - - - - 一 - [ 5 】 金胜秋． 基于A ME s i m的液压同步阀的仿真分析及结构研究 【 D 】 ． 长春 吉林大学， 2 0 0 9 [ 6 】 章湛． 基于A ME s i m对并联液压制动能量再生系统的建模 与仿真研究【 D 】 ． 北京 北京大学， 2 0 1 0 ．