基于AMESim的兆瓦级风力发电机液压偏航系统仿真研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 0 1 5年 第 0 5期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 0 9 基于AME S i m的兆瓦级风力发 电机 液压偏航系统仿真研究 闫利文 ， 艾存金 ， 谢 辉 ， 王福 山 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 以兆瓦级风力发电机液压偏航系统为研究对象 ， 介绍了液压偏航系统的结构、 组成及原理。针对现有的兆瓦级风力发电机液 压偏航制动系统存在的压力上升速度快， 液压系统冲击较大 、 稳定性差的问题 ， 提出蓄能器配合阻尼孑 L 的解决方案， 采用A ME S i m软 件建立了液压系统模型和改进后的模型， 分析改进前后制动液压缸的压力和位移输出曲线， 验证了改进后的系统的合理性。 关键词 风力发电机 ； 液压； 偏航制动系统； AM E 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 2 6 0 4 S i mu l a t i o n S t u d y o n t h e Hy d r a ul i c Ya w Br a ke S ys t e m o f M e g a wa R W i n d Tu r b i ne Ba s e d o n AMESi m Y A NL i w e n ， A I C u n -j i n ， X I EH u i 2 ， W A NG F u s h a h 1 ． T i a n j i n U n 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 ． ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 9 ， C h i n a A b s t r a c t T a k e d t h e h y d r a u l i c y a w b r a k e s y s t e m o f me g a w a t t w i n d t u r b i n e a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ， i n t r o d u c e d t h e s t r u c tur e ， c o mp o s i t i o n a n d p r i n c i p l e o f i t ．Fo r t h e e x i s t i n g me g a wa t t wi n d t urb i n e y a w b r ake h y dra u l i c s y s t e m h a s t h e p r o b l e m o f p r e s s u r e r i s e s q u i c k l y , f o r t h e e x i s t i n g o f t h e M W c l a s s wi n d t u r b i n e y a w b r ak e h y dra u l i c s y s t e m p r e s s u r e r i s e s q u i c k l y , the l arg e i mp a c t o f h y dr a u l i c s y s t e m， p o o r s t a b i l i t y , p r o p o s e d t h e s o l u t i o n e n e r g y s t o r a g e wi t h d a mp i n g h o l e s ， u s e d AM ES i m s o f t wa r e t o e s t a b l i s h o f t h e mo d e l o f t h e h y dr a u l i c s y s t e m a n d t h e i m p r o v e d mo d e l ， a n a l y s i s e d t h e p r e s s u r e a n d d i s p l a c e me n t c u r v e o f t h e b r a k e h y dra u l i c c y l i n d e r b e f o r e a n d a f t e r t h e i mp r o v e me n t ， t o v e r i f y t h e r a t i o n a l i t y o f t h e i mp r o v e d s y s t e m． Ke y wo r d s wi n d t u r b i n e ； h y d r a u l i c ； y a w b r a k e s y s t e m ； AM ES i m 0 引言 液压偏航系统是风力发电机整体液压系统的关键 部分 ， 直接保障了风力发电机偏航、 全压制动和自动解 缆过程 的安全运行 。随着风力发 电机的整装机容量不 断增大， 对液压偏航系统的工作要求越来越高， 当风况 变化需要风轮重新对 风或侧 风时 ， 偏航系统必须能够 平稳安全地实现其功能n 1。文章针对现有液压偏航系 统冲击大 、 稳定性低 的问题 ， 提出蓄能器配合节流孔控 制系统制动器 的流量 与压力 的方案改进 ， 并采用 AME S i m软件对方案进行了研究 ， 验证 了其可行性 。 1 兆瓦级风力发电机液压偏航刹车系统 风力发 电机液压偏航制动系统如图 l 所示 ， 偏航系 基 金项 目 天津市科技计划 支撑 项 目 1 2 Z C Z D G X0 4 1 0 0 收稿 日期 2 0 1 5 0 2 1 2 作者简介 闫利文 1 9 6 7 一 ， 男 ， 内蒙古凉城人， 教授 ， 博士， 研究方向为机 电液一体化 。 2 6 统 有三种工况 ， 分别 为全压制 动 、 半 压偏航 和 自动解 缆 ， 其各 自T作原理如下 1 全压制动 风力发电机正常工作时 ， 需要偏航系统保持制动 ， 防止机舱转动 ， 此时 阀6 ． 1 、 6 ． 2 失电 ， 刹车制动器在最 大压力下夹紧车盘 ， 将机舱与塔座固定。 2 半压制动 随着风况变化 ， 需要调整风轮与风 向的夹角时 ， 液 压偏航 系统 开始 动作 ， 阀 6 ． 1 得 电 ， 6 ． 2 失 电 ， 液压系统 的偏航制动输出压力降至原压力的一半 ， 偏航驱动电 机动作 ， 系统半压的存在保证了系统偏航过程的平稳 可控。偏航过程结束后 ， 全压制动重新投入 。 3 自动解缆 风力发 电机 由于频繁 的对风 ， 会 出现机舱外拖 电 缆与机舱缠绕的现象 ， 出现此类状况是 ， 需要快速向缠 绕 的反方 向偏航 ， 解除危险 。此时 ， 风力发电机主轴处 于刹车状态 ， 阀 6 ． 1 、 6 ． 2 、 6 ． 3 得电 ， 液压偏航 系统压力全 P一 油液密度 。 2 ． 3 蓄能器吸收液压冲击理论分析 部释放 ， 偏航驱动电机驱动机舱快速偏航 。 1 一 液压泵2 一 蓄能器3 一 压力开关 4 ． 1 、 4 ． 2 、 4 ． 3 一 阻尼孔5 ． I、 5 ． 2 、 5 ． 3 一 溢 流阀6 ． 1 、 6 ． 2 、 6 ．3 ～ 换 向阀 7 一 减压阀 8 一 过滤器9 ． 1 、 9 ． 2 、 9 ． 3 一 单向阀 1 0 ． 1 、 1 0 ． 2 、 1 0 ． 3 、 1 0 ．4 、 1 0 ． 5 、 1 0 ． 6 、 1 0 ．7 一 偏航刹车制动器 图1风力发电机偏航制动系统液压原理图 2 液压偏航系统各元件参数分析 2 ． 1偏航刹车的结构简 图及 参数 图2为刹车制动器简图 ， P为刹 车制动器 的进 出油 口， 控制制动器 的压力和工作状 态 P为进油 口时 ， 刹车 制动器处于刹车状态； P 为油15 1 泄压时 ， 制动器压力释 放 ， 在 弹簧力 的作用下制动器松开 。其 中制动器活塞 直径 D 3 3 6 ． 5 ram。 1 一 l司定板2 ． 1 、 2 ．2 一 缸体3 ． 1 、 3 ． 2 一 摩擦板4 一 为刹 车盘5 一 固定螺 栓 图2刹车制动器简图 单个偏航刹车制动器行程 l m m时， 所需要的油液 为 2 5 mL ， 整个刹 车制动器 为 1 7 5 mL 。当制 动器行程为 3 m m时 ， 所需要 的油液为 7 5 m L ， 整个刹车制动器为 5 2 5 mL。 2 ． 2 偏航回路的阻尼孔分析 阻尼孔选择薄壁4 , L r ， 流量公式 Q C A 。 ／ 1 式中p 流量 ； 4 。 阻尼孔面积 ； 阻尼孔两侧压差 ； C 流量系数 ； V o 4 Q p O ．0 1 ] 。 6 4 L t P2 。 P1 2 1 0 3 式中p 流量 ； A 管道面积 ； ￡ 管长 ； z 换 向阀开闭时间 ； P ， 蓄能器高 ； P 最低 ； P 。 充气压力 。 3 系统A ME S i m模型与仿真分析 实际的刹车器包含两个并联 的完全一样 的缸 。为 方便建模 ， 在保证压力和流量参数不变的情况下 ， 可以 将制动器中的两个制动液压缸等效成一个液压缸来仿 真， 行程参数也可以相应的等效增加。 3 ． 1通过 A ME S I m仿真选出最适阻尼孔尺寸 图3 为不加蓄能器的液压偏航系统A M E S i m模型， 基于现有的液压偏航系统， 对制动系统中不同的阻尼 孔尺寸分别进行仿真， 根据仿真结果进行研究， 可得出 一 个最适阻尼孔直径。仿真开始前， 可选用阻尼孔孑 L 径 为 0 ． 8 mm、 l m m、 2 ram， 然 后 对 制 动 液 压 缸 行 程 为 2 m m和6 m m两种情况进行仿真。仿真系统其他参数的 设定如表 1 所示 。 图3 液压偏航 回路 I I 4 2 地 液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 5年 第 0 5期 表 1 建模及仿真所用参数 发动机 转速 1 5 0 0 r ／ mi n 液压泵 三位四通换 向阀 液压缸 阻尼孔 排量8 m L 转速 1 5 0 0 r ／ m i n压力1 6 0 b a r 各路流量为5 0 L ／ m i n 其他参数默认 缸径 3 3 6 ．5 ram ， 行程设定为 2 ram、 6 mm 孔径为 0 ． 8 ram、 l mm、 2 mm 由图4 ～ 图 7 得出 ， 阻尼孔为 O ． 8 ram时 ， 缸位移速度 较预期速度过慢 ， 阻尼孔为 2 m m时 ， 压力曲线上升过 快 ， 当阻尼孔 为 l m m时缸压力和位移曲线都是平稳的 曲线。 言 { 量 { 奁 图 4 2 mm压力 曲线 时间／ 8 图 6 6 mm压 力曲线 2 g I 1 毯 0 O 6 5 g 4 蠹 i 时间／ 8 图5 2 mm位移 曲线 时间／ 8 图 7 6 mm位移 曲线 3 ． 2 通过AME S i m仿真选出最适蓄能器容积 针对偏航制动过程中存在的速度过快造成冲击过 大的问题 ， 设计在偏航制动回路中采用节流孔配合蓄 能器对偏航制动过程进行控制 ， 实现最大延时缓冲振 动冲击并能保证制动所需的时间， 改进后的系统仿真 模型如图8 所示。对仿真中采用的蓄能器 ， 其容积分 别选 用 0 ． 1 L 、 0 ．2 L 、 0 ．3 L ， 保 持其他 参数不 变 ， 进行 仿真。 由图 9 ～ 图 1 2 得 出 ， 蓄能器为 0 ． 3 L时 ， 压力 曲线上 升较快 ， 蓄能器为 0 ． 1 L时 ， 缸位移速度较缓慢 ， 当蓄能 器为0 ．2 L 时， 压力曲线较缓且缸位移速度平稳。 3 ． 3 对改进前后缸压力和缸位移进行分析 1 通过对 比加入 蓄能器前后制动液压缸 的压力 输出曲线 ， 加入蓄能器后的缸压力曲线， 在缸行程为 2 ra m、 6 ra m时 ， 有较好的压力上升曲线， 仿真时显示出 较缓的响应特性。 2 通过对 比加入 蓄能器前 后制动液压缸的位移 输出曲线 ， 加人蓄能器后的位移 曲线 ， 在缸行程为 2 m m、 6 m m时， 斜坡上升 ， 和压力曲线类似。仿真曲线 反映出， 改进后， 制动缸速度明显放缓且能满足运动时 间要求 4 _ 。 1 6 O 1 4 O 量 6 O 幽24 O0 O 图 8 加蓄能器的偏航 回路 5 2 0 2 ． 5 3 0 3 5 4 0 时间／ s 吕 ＼ 时间／ s 图9 改进后 2 mm压力 曲线 图 1 0改进后 2 mm位移 曲线 莹{ 、 -R 邕 时 『 闭 ／ s 6 曼i 3 2 1 OO l O 20 3 0 40 时间／ s 图 1 1 改进后 6 mm压力 曲线 图 1 2 改进后 6 mm位移 曲线 4 结论 针对现有 的兆瓦级风力发 电机液压偏航制动系统 存在的压力上升速度快 ， 液压系统 冲击较大 的问题 ， 采 用控制变量法 比较了不同阻尼孔尺寸下 AME S i r a 模 型 中制动液压缸 的压力与位移输 出 ， 得出阻尼孔 l m m为 最适尺寸。 确定了阻尼孔最佳尺寸以后 ， 采用在液压偏航制 动系统回路中增加一个蓄能器的设计 ， 对蓄能器容积 参数进行批处理 ， 根据仿真曲线分析得出蓄能器容积 为 0 ． 2 L时为最适 ， 同时将改进后 系统 的液压缸输 出曲 线与原系统曲线进行 比较发现该改进方案能够有效地 缓解制动缸工作时冲击过大的问题 。 Hyd r a ul i c s Pn e uma t i c s Se a l s ／ No． 0 5． 201 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 1 0 电子束扫描 4 5 表面合金化处理的研究 刘 科 ， 周小燕 国家知识产权局专利局 专利审查协作广东中心 ， 广东 广州 5 1 0 5 3 0 摘要 电子束表面合金化处理可以提高材料的表面硬度 、 改善其性能。研究电子束扫描合金化处理对 4 5 钢表面层组织的影响； 探讨 添加不同粉末电子束扫描合金化处理对4 5 钢表面硬度的影响； 探讨添加不同粉末电子束扫描合金化处理对 4 5 钢表面耐磨性能的影 响。采用扫描电镜分析强化层的显微组织， 用显微硬度计进行硬度测试， 用磨损试验机测试其耐磨性能。结果表明， 4 5 钢经电子束扫 描合金化处理后， 组织可以分为合金化层 、 热影响区和基体三个部分， 其中合金化层又包括熔化区和稀释区。熔化区的组织呈多边形 块状 ， 为过饱和奥氏体树枝晶组织 ， 晶界上有网状碳化物； 在稀释区形成了多种强化相。试样表面的硬度大大提高， 试样表面的耐磨 性能提高近 1 01 2 倍。 关键词 4 5 钢 ； 电子束扫描； 合金化； 金相组织； 硬度 中图分类号 T G1 6 6 ． 3 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 2 9 - 0 4 Re s e a r c h o n t h e S u r f a c e Al l o y i n g Pr o c e s s i n g o f 45 S t e e l Dur i ng El e c t r o n Be a m Sc a n ni n g L I U Ke ， Z H OUXi a o - y a n P a t e n t E x a mi n a t i o n C o o p e r a t i o n C e n t e r o f t h e P a t e n t Offic e ， S I P O， G u a n g z h o u 5 1 0 5 3 0 ， C h i n a Abs t r a c t Th e s u r f a c e h a r d n e s s a n d p r o p e r t i e s o f ma t e ria l s we r e b o t h i mp r o v e d b y me a n s o f e l e c t r o n b e a m s u r f a c e a l l o y i n g p r o c e s s i n g ． I t wa s s t u d i e d i n t h i s wo r k t h a t t h e i n fl u e n c e o f e l e c t r o n - b e a m s c a n n i n g a l l o y i n g p r o c e s s i n g o n t h e s u r f a c e l a y e r o r g a n i z a t i o n o f 4 5 s t e l l a n d t h e i n fl ue n c e o f e l e c t r o n - b e a m s c a n ni n g a l l o y i n g p r o c e s s i n g o n t h e s u r f a c e h a r d n e s s o f 4 5 s t e e l b y a d d i n g d i ff e r e n t p o we r s ． Th e i n fl u e n c e o f e l e c t r o n - b e am s c a n n i n g a l l o y i n g p r o c e s s i n g b y a d d i n g d i ffe r e n t p o we r s o n t h e s u r f a c e we a r - r e s i s t i n g p e rfo r m a n c e o f 4 5 s t e e l a l s o wa s s t u d i e d i n t h i s wo rk ． T h e mi c r o s t r u c t u r e o f s tre n g t h e n i n g l a y e r wa s a n a l y z e d b y u s i n g s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y ． T h e h ardn e s s wa s t e s t e d b y u s i n g mi c r o h a r dn e s s t e s t e r a n d t h e we a r - r e s i s t i n g p e rfo r man c e wa s t e s t e d b y u s i n g we a r t e s t i n g ma c h i n e ． T h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o we d t h a t t h e mi c r o s t r u c t u r e o f 4 5 s t e e l c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e z o n e s t h e a l l o y i n g l a y e r ； the h e a t a ffe c t z o n e ； t h e s u b s t r a t e a f t e r e l e c t r o n b e am s u r f a c e a l l o y i n g p r o c e s s i n g． Th e me l t i n g z o n e a n d the d i l u t e z o n e a r e inc l u d e d in a l l o y i n g l a y e r ． Th e mi c r o s t r u c t u r e o f f u s i o n z o n e i s p o l y g o n b l o c k ． I t i s s u p e r s a t u r a t e d a u s t e n i t i c d e n d r i t e s mi c r o s t m c t u r e a n d t h e r e i s n e t wo r k c a r b i d e i n t h e g r a i n b o u n d a r y ． V ari e t i e s o f s tr e n g t h e n - i n g p h a s e we r e f o r me d i n t h e d i l u t i o n z o n e ． Th e h ardn e s s o f the s am p l e s ur f a c e wa s g r e a t l y i n c r e a s e d a n d the we ar- r e s i s t i n g p e r f o r ma n c e o f t h e s a mp l e s u r f a c e wa s i n c r e a s e d n e ar l y 1 0 t o 1 2 t i me s ． Ke y wo r ds 4 5 s t e e l ； e l e c tro n b e a m s c a n n i n g ； a l l o y i n g ； mi c r o s t r u c t u r e ； h a r d n e s s O 前言 4 5 钢因其具有良好的综合力学性能、 易加工且价 格低廉的特点 ， 因而在工业中应用广泛。在实际工业 生产 中 ， 主要应用于制造 轴类 、 齿轮和一些主要受力部 收稿 日期 2 0 1 5 0 2 2 5 作者简介 刘科 1 9 8 6 一 ， 男 ， 湖北随州人 ， 研究实习员 ， 硕士， 研究方向 为表面工程技术。 件， 以及钢结构和吊机的制作n 。对4 5 钢， 工业上一般 采用调质 淬火加高温回火 的处理方法。但是经过调 质处理后 ， 4 5 钢表 面硬度较低 ， 往往难 以达到要求 ， 大 大地限制了其使用范围 。 应用表面改性技术对零件进行表 面强 化处理 ， 对 提高其表面的硬度和耐磨性能， 是一种行之有效的方 法 。 目前 ， 对钢铁材料进行表面改性处理 ， 主要有 以 下几种方法 热喷涂技术 、 气相沉积技术 、 离子注人表 参考文献 Ⅲ 1 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 - 2 9 ． [ 2 】 李状云， 葛宜远． 液压元件与系统[ M 】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 99． [ 3 】 王春行． 液压控制系统[ M ] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． [ 4 ] 付永领 ， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真一从入门到精通 -●一 【 M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 倪受元． 风力发 电讲座第一讲风力机的类型与结构[ J J ． 太阳 能， 2 0 0 0 ， 2 6 - 1 0 ． [ 6 】6 路 甬祥． 液压气动技术手册【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 7 ] S z e n t e V ， H o s C ． G a s D y n a m i c P i p e F o w E f f e c t s i n C o n t r o l l e d P n e u ma t i c S y s t e m s a S i m u l a t i o n S t u d y [ J ] ．P e r i o d i c a P o l v t e c h n i c a Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， 2 0 0 1 ， 4 5 2 3 9 2 5 0 ． 2 9