GL风力机传动系动力学认证分析标准（中文版）

GL 风力机传动系动力学认证分析标准 [根据 GL 风机认证 2010 版翻译] 7.A.1 综述 本 文 介 绍 了 风 机 传 动 系 统 的 分 析 目 的 ， 分 析 类 型 和 分 析 内 容 ， 以 及 详 细 规 定 了 风 机 动 力 学 的 建 模 要 求 。 用 户 可 以 针 对 不 同 的 任 务 需 求 ， 选 择 合 适 的 分 析 范 围 和风机传动系动力学建模的详细程度。 7.A.1.1 摘要 （1） 本 文 的 目 的 在 于 ， 为 使 用 多 体 动 力 学 仿 真 软 件 进 行 风 机 传 动 系 的 仿 真 分 析，指定标准的仿真规范。 （2） 本 文 旨 在 为 风 机 动 力 学 仿 真 提 供 各 种 使 用 的 建 模 和 分 析 方 法 ， 以 及 对 计算结果的诠释。 （3） 本 文 主 要 针 对 传 动 的 风 机 传 动 系 统 ， 即 采 用 增 速 齿 轮 箱 作 为 传 动 装 置 。 对 于 采 用 特 殊 传 动 装 置 的 风 机 ， 例 如 直 驱 型 风 机 ， 需 要 根 据 实 际 情 况 做 出 调 整 。 总 的 来 说 ， 风 机 传 动 分 析 主 要 包 含 以 下 步 骤 ： A 将复杂的风机传动系模型简化成为等效的动力学模型 B 确定建模时需要输入的刚度，质量，惯性矩和阻尼值 C 建立分析模型 D 执行分许 E 验证模型 F 评价，评估和记录结果 7.A.2 风机传动系统建模 传动系部件供应商提供的相关技术数据可以用来进行传动系统的建模工作。 7.A.2.1 模型离散 （1） 仿真模型应该包含所有的传动系部件。每一个独立的部件都被细分并 用 刚 体 来 表 示 。 齿 轮 和 轴 承 作 为 独 立 的 子 部 件 ， 推 荐 使 用 更 加 细 化 的 轴 和 叶 片 建 模 。 部 件 间 的 相 互 作 用 通 过 力 元 来 实 现 。 对 于 轴 和 复 杂 构 件 ， 推 荐 使 用 其 的 弹 性 体 模 型 。 表 7.A.1 列 出 了 需 要 独 立 建 模 的 传 动 系 部 件 。 （2） 所 有 与 传 动 系 有 关 的 特 征 频 率 都 需 要 考 虑 。 因 此 ， 建 模 时 需 要 考 虑 部 件的物理属性，包括质量，刚度和惯性矩等。 （3） 传 动 系 主 要 部 件 的 有 限 元 离 散 需 要 切 合 其 具 体 的 形 状 ， 而 且 需 要 包 含 该 部 件 的 所 有 固 有 频 率 信 息 ， 或 者 至 少 包 含 低 于 最 高 激 励 频 率 二 次 谐 波 的 所 有 固 (4) (5) 有频率。详细信息请见表 7.A.1。 表 7.A.1 转动系主要部件建模明 细 (4) 根 据 不 同 激 励 来 源 ， 针 对 不 同 的 部 件 ， 需 要 设 定 其 合 适 的 自 由 度 数 目 。 一 般 来说，扭转，轴向和弯曲自由度必须要考虑。 （5） 仅 包 含 扭 转 自 由 度 的 计 算 模 型 ， 其 计 算 结 果 必 须 得 到 实 测 数 据 的 认 证 ， 才 能作为认证模型使用。 （6） 如 果 模 型 中 包 含 的 弹 性 体 部 件 ， 其 边 界 条 件 在 有 限 元 模 型 和 多 体 动 力 学 模 型中必须一致。 7.A.2.2 输入数据 （1） 模 型 的 输 入 数 据 包 括 部 件 的 质 量 ， 惯 性 矩 ， 刚 度 和 阻 尼 值 。 部 件 的 质 量 和 惯 性 矩 数 据 可 以 从 CAD 软 件 获 得 ， 通 过 分 析 计 算 和 实 验 获 得 。 弹 性 体 模 型 可 以 通 过 有限元，实验或者手工计算途径获得。 （2） 齿 轮 啮 合 刚 度 可 以 通 过 计 算 （根 据 ISO6336-1 号 标 准 ） ， B 方 法 和 实 验 途 径 获得。 （3） 轴承的刚度属性数据应该由你的轴承供应商提供。其动态行为通过全刚度 矩 阵 表 示 。 除 此 之 外 ， 还 需 考 虑 轴 向 刚 度 的 非 线 性 和 个 自 由 度 刚 度 之 间 的 耦 合 。 （4） 阻尼数据可以通过实验或者是查阅文献获得。最终的调整应该依赖于对实 体 风 机 结 构 的 实 验 来 确 定 。 阻 尼 值 一 般 仅 用 于 其 在 模 型 中 起 作 用 的 部 件 上 ， 例 如 轴承和齿轮啮合处。 （5） 如 果 在 时 域 内 进 行 分 析 ， 需 要 考 虑 由 于 部 件 刚 度 和 惯 性 变 化 引 起 的 激 励 ， 至少需要包括： blade passing 齿轮啮合时变刚度 主要传动系部件的不平衡（转子，制动盘，联轴器，电机转子） 控制器的通信频率（例如变桨和偏航控制器） 7.A.2.3 边界条件 （ 1） 在 频 域 内 的 分 析 ， 应 该 选 择 足 够 宽 的 频 率 带 ， 以 涵 盖 表 7.A.2 内 规 定 的 所 有激励频率。 （ 2） 在时域内的分析，应该与风机的工作状况一致。 （ 3） 应 该 考 虑 机 械 系 统 和 电 子 部 件 的 相 互 作 用 。 例 如 ， 可 以 利 用 电 机 的 依 赖 于 转速的扭矩特性和考虑风机的控制算法。 （ 4） 为了仿真分析传动系所有的工况，需要利用启动过程分析，执行分析需要 稳 定 的 提 高 转 速 ， 启 动 分 析 在 转 速 或 者 力 矩 驱 动 模 式 下 进 行 。 （ 详 见 图 7.A.1） 。 7.A.2.4 检查模型和输入数据 （1）所有的建模输入数据需要严格的检查一遍。可以通过数据可视化功能 来提高数据检查的效率。 (2)传 动 系 部 件 的 装 配 关 系 可 以 通 过 可 视 化 技 术 来 观 察 ， 例 如 仿 真 动 画 和 模 态 结 果 的 检 查 。 通 过 有 阻 尼 和 无 阻 尼 特 征 频 率 的 比 较 ， 可 以 确 定 模 型 中 存 在 的 缺 陷。 （ 3） 仿 真 模 型 需 要 得 到 充 分 的 验 证 。 例 如 ： 通 过 齿 轮 箱 台 架 实 验 结 果 验 证 仿 真结果，确保仿真与真实传动系统动态行为的一致性。 7.A.2.5 通过实验验证扭转模型 （1） 如 果 使 用 仅 包 含 扭 转 自 由 度 的 模 型 ， 需 要 将 仿 真 结 果 和 实 验 数 据 进 行 比较验证后，才能有效使用。实验可以通过齿轮箱台架实验完成。 （2） 实验结果应该包含特征频率和扭转特性。 （3） 应 该 进 行 启 动 过 程 实 验 ， 包 含 传 动 系 的 工 作 转 速 。 （详 见 图 7.A.1） （4） 需 要 实 测 的 参 数 ： 输 入 和 输 出 轴 的 扭 矩 和 转 速 ， 扭 转 支 撑 和 齿 轮 箱 上 特定位置的三维空间的结构噪声，用于获得相关的实测频率。 （5） 实 测 频 率 至 少 要 达 到 500Hz。 （6） 结 果 可 以 通 过 齿 轮 箱 各 级 结 果 的 坎 贝 尔 图 和 瀑 布 图 来 显 示 ， 图 中 显 示 了相关的转速，频率，振动强度。 7.A.2.6 传动系全局参数认证 （1） 为了验证在全局载荷假设下的传动系模型参数，应重视细节化的传动 系 模 型 分 析 。 在 多 数 情 况 下 ， 这 些 参 数 主 要 是 传 动 系 的 刚 度 和 电 机 转 子 的 转 动 惯 量 。 也 可 以 通 过 比 较 从 细 节 模 型 获 得 的 第 一 阶 扭 转 频 率 和 从 整 体 仿 真 模 型 得 到 的 相应的 频率来进行验证。两者的误差不能超过+5%。 （2） 根 据 实 际 的 建 模 和 仿 真 可 实 现 性 ， 也 可 以 采 用 其 他 方 式 进 行 风 机 传 动 系评估认证。 7.A.3 计算和计算结果评估 （1）对于时域内的计算，仿真时间和采样频率应该选择的足够宽。 (2) 转子速度和扭矩，弹性支撑上载荷级别的时域计算结果可以通过正确 的再现传动比，转向和轴的角位移来核实。 （3）应该合理的检查计算结果。包括模型特征值和模态的检查，根据工程 师的经验和与相同布局传动系统的对比，确定相应的振幅和振型是否合理。 7.A.4 深入评估 （1） 要 考 察 风 机 在 常 用 工 作 带 的 情 况 下 ， 发 生 共 振 时 的 机 构 异 常 状 况 。 这 就需要利用更加细节化的模型进行分析或者进行实体测试。 （2） 推荐利用传动系仿真模型进行风机极端工况下的瞬态动载荷分析。 （ 例 如 ，DLC1.4,DLC1.5,DLC2.2,DLC9.2;详见第四章） 7.A.5. 计算文件说明 7.A.5.1 综述 （1） 一 下 将 介 绍 正 式 的 和 相 关 的 风 机 传 动 系 动 力 学 分 析 内 容 。 详 细 内 容 可 能与综述内容有微小偏离。 （2） 本 说 明 很 大 程 度 上 是 介 绍 了 不 同 的 分 析 方 法 。 (多 体 动 力 学 方 法 和 混 合 法) （3） 从工程和计算的角度来说，计算分析的文件应该与其他技术文件，例 如图纸，数据表和风机类型信息形成一个统一的整体。 （4） 计算文件应当有明确的标题，参考文献说明，创作和发布日期等。 （5） 计算文件首页应该有详细文件内容修正日志。 （6） 应 当 注 明 计 算 目 标 ， 计 算 类 型 （包括计算方法和理论依据） ， 以 及 计 算 的 程 度 。 （7） 参 考 文 献 应 包 括 风 力 发 电 机 组 类 型 和 配 置 ， 电 网 频 率 。 和 所 有 主 要 部 件的类型清单信息及零件图纸。 （8） 应 根 据 2.2.2.6 章 内 容 确 定 用 于 分 析 的 风 机 工 作 转 速 带 。 (9) 相关激励频率可以在表 7.A.2 中获得。 表 7.A.2 频率列表 7.A.5.2 输入数据 （1） 计算报告中应列出所有与传动系部件有关的质量，刚度和阻尼值。由 于 分 析 方 法 的 不 同 ， 并 不 是 所 有 的 数 据 都 可 以 直 接 应 用 ， 这 种 情 况 下 ， 需 要 事 先 经过 GL 的认可。 （2） 来自轴和齿轮啮合的激励频率与其谐波项应该参照风机额定转速定义。 （3） 根 据 图 7.A.2 中 典 型 的 风 机 传 动 系 拓 扑 图 来 核 实 你 的 模 型 ， 你 的 模 型 应该包含所有的传动系部件以及它们之间的相互作用关系。 图 7.A.2 一个典型的风机传动 系拓扑结构图 7.A.5.4 仿真环境和建模 以 下 要 求 特 别 适 用 于 采 用 多 体 动 力 学 方 法 ， 有 限 元 方 法 或 者 混 合 方 法 进 行 风 机动力学计算。计算报告书应该包含以下内容： 仿真所用程序（包括软件名称，版本，后处理以及相应的解决方案） 对每一个子部件的自由度描述 使用元素描述（刚体，梁单元类型） 连接元素属性，例如铰接，约束和力元描述 激励元素描述 弹性体，有限元模型和模态缩减过程描述 多体动力学系统的求解设置 7.A.5.5 计算结果 （ 1） 包含系统模态信息和激励频率的坎贝尔图。 （示 例 见 图 7.A.3） 。 需 要 分 析 的 频 率 带 应 该 选 得 足 够 宽 以 便 能 够 覆 盖 所 有 要 求 的 激 励 频 率 （详 见 表 7.A.2） 。 工作转速带和风机额定转速也应该包含在图中。 （ 2） 为 了 分 析 被 激 励 起 的 特 征 频 率 ， 需 要 在 分 析 中 考 虑 模 态 振 型 和 能 量 分 布 。 需 要 标 识 出 每 一 特 征 频 率 下 占 有 超 过 总 动 能 20%的部件或者物体。 （ 3） 通过坎贝尔图和能量分布观察到的系统共振点需要通过执行频率响应 计 算 来 识 别 。 计 算 结 果 标 识 在 系 统 的 频 响 图 中 。 （ 4） 启 动 仿 真 结 果 应 该 通 过 阶 次 分 析 的 坎 贝 尔 图 的 评 估 。 该 图 上 描 述 了 依 赖 与 频 率 和 转 速 的 振 幅 。 该 三 维 图 中 的 两 个 坐 标 方 向 为 频 率 和 激 励 ， 另 一 方 向 为 用 颜 色 谱 表 示 的 振 幅 。 传 动 系 的 各 个 部 分 都 要 通 过 这 种 方 式 分 析 。 （ 5） 通过使用细节化的传动系模型和电机转矩应该与全局载荷下的参数做 比 较 。 比 较 从 细 节 模 型 获 得 的 第 一 阶 扭 转 频 率 和 从 整 体 仿 真 模 型 得 到 的 相 应 的 频 率 来 进 行 验 证 （ 6） 对于计算结果更加细节的解释需要深入的分析系统潜在共振。 7.A.5.6 实验数据 以下为，计算报告中的实验数据要求： （1） 详细描述试验平台的搭建，包括马达，电机，联轴器，齿轮箱和测试台。 （2） 试验转速范围和持续的转速扫频 （3） 描述试验设备 （4） 结 果 需 要 利 用 坎 贝 尔 图 和 瀑 布 图 展 示 。 展 示 转 速 ， 频 率 和 振 动 烈 度 之 间 的 关系。 图 7.A.3 坎贝尔图