摘要：風力發電機組系統在運行時產生劇烈的系統振動，對風力機運行精度和零部件的使用壽命有非常大的影響。風力機是一個剛柔耦合的周期時變的多體系統，加上工作環境的復雜性，有必要對風力機進行剛柔耦合動力學分析。運用多體系統動力學方法、模態振動、沖擊-接觸理論，以750KW型風力機組為研究對象，通過對齒輪傳動的仿真分析，得出齒輪嚙合力隨時間變化的曲線。此外，還將葉片和塔架替換為柔性體，并與齒輪箱、主軸、底座進行剛柔耦合動力學分析，對得到的應力分布圖進行應力分析。

　　關鍵詞：風力發電機組,剛柔耦合,多柔體系統,動力學分析

　　引言

　　風力發電已經成為我國重大發展戰略，更是可持續發展戰略的一部分[1]。風力發電機作為捕獲風能的最佳設備，正引來越來越多的關注和研究[2]。這是由于風能是不可控制的能源，風向和風速時刻變化，為得到更高的風能利用率，就須對風力發電機組(以下簡稱風力機)的動力系統進行研究。風力機不僅是一個剛柔耦合的多體系統，且工作在環境極其惡劣的野外;作用在風機上的空氣動力、慣性力和彈性力等交變載荷使系統產生變形或振動，對風力機的正常運行影響很大，嚴重時會導致風力機損壞[3]。在風力機工作現場可以看到，750KW機組在啟動、停機和風速較大時振動尤其劇烈。其振動主要表現在三個方面：葉片振動，系統振動和塔架振動，而這三個方面的振動特征表現為耦合性[4]。為了確保風力機的穩定性和可靠性，對風力機整機作剛柔耦合動力學研究是很有現實意義的。

　　1 750KW風力發電機組研究模型的組成

　　目前風力發電機組多為水平軸式，基本包括葉片、輪轂 (與葉片合稱葉輪)、機艙罩、增速齒輪箱、發電機、塔架、機艙基座(又稱機艙底盤)、控制系統、制動系統、偏航系統、變槳系統、液壓裝置等[5]。水平軸式大型風力發電裝置的結構簡圖如圖1-1所示。

　　利用三維實體造型工具SolidWorks和多體系統動力學仿真工具MSC.ADAMS建立750KW風力發電機組系統多剛體動力學模型，主要包括主軸、機艙、底座、發電機模型。在750KW風力發電機組系統多剛體動力學模型基礎上，通過ANSYS生成了風機葉片、塔架的柔性體文件，根據實際情況在齒輪箱和葉片上加上了相應的載荷。同時，運用MATLAB來實現電機的反作用扭矩控制。

　　2風力機多剛體分析模型的建立及仿真

　　2.1多剛體模型的建立

　　采用SolidWorks三維軟件進行風力發電機增速齒輪箱的零件建模與整體裝配，在SolidWorks中建立了輪轂、主軸、增速齒輪箱、底座三維分析模型如圖2-1所示。

　　在剛體模型中，齒輪系統作為將風能轉化為電能的重要動力傳動部件，是風力機系統運行時能否平穩高效的主要影響因素之一，因此有必要對齒輪進行深入的研究。齒輪的建模是在SolidWorks中完成后導入到ADAMS中，為了使齒輪系統結構緊湊、運行平穩，采用參數化的處理方法進行優化設計，確定齒輪的幾何尺寸。

　　2.2齒輪的建模及動力學仿真

　　2.2.1齒輪模型的建立

　　本次設計采用一級行星加二級平行軸結構型式，總傳動比i總=67.4，行星結構采用心輪浮動，設各齒輪材料、齒面硬度相同，并取行星輪齒輪傳動比為5.04，定軸傳動部分傳動比為13.373。葉輪轉動通過主軸輸入齒輪箱，經過加速后傳遞到發電機。

　　2.2.2齒輪傳動的仿真

　　根據風機設計和運行要求，在建立的齒輪系統剛體模型輸入軸上施加一個恒定轉速，大小為135 /s(即 22.5 r/min)來模擬傳遞到增速箱的轉速;在輸出軸上施加恒定的負載轉矩4976053N*mm來模擬發電機對系統的轉矩。為了使轉速不出現突變，利用STEP函數使轉速在1s內由0增加到135 /s，此關系式為STEP(time,0,0d,1,135d)。

　　由于風機在實際運行過程中高速齒輪出現故障的次數較多，因此本文僅對高速齒輪進行仿真分析。本文采用沖擊函數法來計算嚙合力，接觸模式選擇Solid to Solid，碰撞指數e取2.2，阻尼系數取100N*s-1*mm-1，變形距離d取0.1mm。仿真設置5秒100步，在后處理模塊中得到齒輪嚙合力時域圖。

　　從圖2-4可以分析得到，從0s到1s為加速階段，隨著速度的增加，嚙合力的波動幅度增加，波動周期減小;在1s以后，嚙合力基本呈現周期性變化，每個周期嚙合力的變化趨勢是按從最小值逐漸增至最大值，然后又變小的規律進行，反映了齒輪之間的嚙合情況。即從將要進入嚙合區域到進入嚙合區域，然后到嚙合區域中心，再逐漸退出嚙合區域的運動過程，可得到齒輪接觸力產生的最大值為1.3047E9N。

　　3柔性體模型分析

　　前面建立的風力發電機組模型，其構件都是屬于剛體，在MSC.ADAMS中作運動分析時不會發生彈性變形。而實際情況是，風力發電機組的一些部件(如葉片、塔架等)在運行過程中會有較大的位移和變形，并產生強烈的振動，這就需要在對風力機做動力學分析時須考慮這些部件的柔性效應。MSC.ADAMS中柔性模塊是采用模態來表示物體彈性，它是基于物體彈性變形時相對于連接物體坐標系的彈性小變形。其基本思想是賦予柔性體一個模態集，采用模態展開法,用模態向量和模態的線性組合來表示彈性位移，通過計算每一時刻的彈性位移來描述其變形運動。

　　3.1柔性塔架模型分析

　　本文用ANSYS軟件提取風力機柔性部件模態，在建立柔性部件模型時要定義好材料特性，如密度、泊松比、彈性模量等，然后選擇適當的單元類型來劃分單元。

　　風力發電機多為柔性塔架，其一階固有頻率一般比較接近葉輪的激勵頻率，而高階固有頻率遠遠大于葉輪的激勵頻率值，不會和葉輪發生共振。因此進行模態分析時主要考慮的是其一階固有頻率。

　　在塔架坐標系內，XZ平面內一階模態彎曲模態振型為5.422HZ，XZ平面內二階模態彎曲模態振型為13.689HZ。從圖中可以看出當振動頻率達到13.689HZ時，塔架的變形是相當嚴重的。

　　在一定高度范圍內，塔架的位移量隨高度增加而增大，最大位移值在塔架頂端，如圖3-3所示，其中橫坐標為塔架高度，縱坐標為節點位移量，這與一般常規計算的結果也是吻合的。從塔架的應力應變圖看出，最大值出現在塔架中上部的某一段，這與以往剛性塔架的最大應力總是出現在塔底位置不同。實際上由于載荷情況不同，塔架所受的最大應力往往出現在其迎風面一側或者背風面一側的某一高度處。從應力云圖中可以發現，機組運行時，塔架上應力分布并不是均勻一致的，而是隨著高度的不同其應力狀況有所變化。這主要是因為不同高度處塔架的筒徑、厚度不同，造成塔架隨高度變化而得到了不同的強度分布。

　　3.2柔性葉片模型分析

　　根據柔體葉輪的動力學特點，選擇合適的求解方法和積分格式至關重要。ADAMS中共有六種求解器，其中前四種為剛性數字積分法，ABAM為柔性數字積分器，RKF45為采用單步算法的非剛性求解器，后兩種可用于求解含柔性體的模型;Formulation為積分格式，I3積分格式僅監控位移和其他微分方程的狀態變量的誤差。SI2積分格式中考慮了速度約束方程，可以控制拉格朗日乘子的誤差，仿真結果較精確;SI1積分格式考慮了速度約束方程，但沒考慮加速度約束方程，在相應地引入拉格朗日乘子導數后使方程降階，仿真結果最精確。

　　從圖4-1可以看出3個柔體葉片質心在X、Y坐標方向呈現正弦變化規律，如果將曲線放大，可以發現正弦內部還存在著正弦即“雙正弦疊加”現象，這說明柔體葉片質心在X、Y方向存在振動現象,這個振動的產生就稱作葉片的揮舞和擺振。這些現象更加說明多柔體系統更能反映葉輪系統實際的運動特性。

　　4剛柔耦合的動力學仿真

　　在ANSYS中提取風力機柔性部件模態，并將結果轉化成MSC.ADAMS可以識別的柔性模態中性文件(*.mnf)，利用ADAMS對風力機整機進行剛柔耦合動力學仿真。選擇ADAMS主菜單下的Built-Flixble bodies-Rigid to flex，完成組件剛柔體的替換。本文將塔架和葉片替換成柔性體，根據實際風載荷對風力機進行剛柔耦合的動力學仿真分析，得到時間為2秒第21步的應力云圖，如圖4-2和圖4-3所示。

　　通過對整個系統的仿真分析，可以獲得柔性葉片和塔架在任意時刻的應力應變分布情況，追蹤其應力應變敏感時刻和敏感區域，而且可以顯示應力應變的最大和最小節點，并列出所有節點應力應變的變化曲線以及應力應變的大小等等參數。從兩圖中可以發現，葉輪的每個葉片上應力的分布是不一樣的：應力較大的部位集中在每個葉片的前緣、離葉根15m處附近(約是葉片三分之一處)。

　　5結論

　　風力發電機組系統的耦合振動是一個極其復雜的動力學問題，理論建模方面需要涉及到剛柔耦合多體動力學系統的建模與求解，系統的動力學模型中要考慮復雜的風載荷，偏航系統及傳動系統齒輪的接觸碰撞，以及非線性彈簧減振器的建立等問題。本文基于MSC.ADAMS軟件，初步探討了750KW風力發電機組系統動力學模型的建立及仿真問題，主要分析了以下幾個方面的內容：

　　(1)利用三維實體造型工具SolidWorks和多體動力學仿真工具MSC.ADAMS建立了風力機輪轂、主軸、齒輪箱、發電機、底座等剛體模型，并對故障率較高的齒輪進行嚙合力仿真分析;

　　(2)利用有限元分析軟件ANSYS生成了塔架和葉片的柔性體文件，并將塔架和葉片替換成柔性體進行仿真分析;

　　(3)通過剛柔耦合動力學仿真分析，初步得出風力機增速箱高速齒輪嚙合數據、塔筒產生最大應力應變的位置及三個旋轉葉片的應力分布情況。

　　參考文獻：

　　[1]李俊峰,高虎等.2008中國風電發展報告[M].北京：中國環境科學出版社,2008，14-15

　　[2]EER,2006歐洲風能市場評論[J].中國科技信息，2006, (17): 317～318

　　[3]GWEC. Global wind 2007 Report 2008.04.01.

　　[4]劉虎平.風力機葉片設計和顫振分析[D].西北工業大學碩士學位論文

　　[5]王超.張懷宇，王辛慧等 風力發電技術及其發展方向[J].電站系統工程，2006.3.22(3):11～13