本發(fā)明涉及到風(fēng)電機組載荷測試，具體涉及到一種風(fēng)電機組主傳動鏈非接觸式載荷測試裝置及測試方法。

背景技術(shù)：

1、風(fēng)電機組的運行環(huán)境復(fù)雜、多變以至惡劣。風(fēng)電機組一般安裝在戈壁灘、高山、荒郊及高潮濕、高腐蝕性的海洋環(huán)境中，常年運行在酷暑、嚴寒和極端溫差的自然環(huán)境中，且經(jīng)常承受強陣風(fēng)甚至臺風(fēng)等的沖擊和影響。隨著機組工作年限的增長，槳葉、傳動鏈及其齒輪箱、變流器等部件的各類故障頻繁出現(xiàn)。這些問題嚴重影響了機組的壽命，可靠性以及并入電網(wǎng)電能的質(zhì)量。產(chǎn)生這些問題的根本原因在于風(fēng)電機組受到各種多變、多自由度環(huán)境載荷的影響，例如，主傳動鏈所受風(fēng)力載荷的劇烈變化極容易導(dǎo)致主傳動鏈轉(zhuǎn)矩的大幅脈動，產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力沖擊，造成較大的疲勞載荷，嚴重影響風(fēng)電機組的可靠性和壽命；額定風(fēng)速以上的大風(fēng)或者強陣風(fēng)會導(dǎo)致主傳動鏈大幅的過載，產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)性極限載荷和電氣過載，致使風(fēng)電機組頻繁產(chǎn)生各類故障或問題，嚴重時則會導(dǎo)致整機失效或損毀。

2、因此，提高風(fēng)電機組主傳動鏈對于各類外載荷的適應(yīng)性、魯棒性和可靠性對于整個風(fēng)電機組的高效、安全、可靠地運行具有非常重要的現(xiàn)實意義。為從根本上提升風(fēng)電機組的長期可靠性、加快大型風(fēng)電機組的研發(fā)進程、提升機組品質(zhì)、降低技術(shù)風(fēng)險，需要能夠在地面環(huán)境中復(fù)現(xiàn)機組在真實工況中所受的各類多自由度、時變載荷，并基于此對機組及其傳動鏈部件開展充分的實際加載驗證和測試，以便及早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題及安全隱患，達到降低技術(shù)風(fēng)險、減少機組開發(fā)費用、縮短研發(fā)周期和成本等目的。功能完善的地面多自由度載荷測試實驗臺具備風(fēng)電機組靜動態(tài)載荷模擬，能夠?qū)鲃渔溸M行電氣性能、多自由度載荷、疲勞壽命、噪聲、振動等方面的綜合測試，能夠更加真實地在實驗室環(huán)境中模擬實際風(fēng)電機組的各種運行工況，包括典型、極端工況及多種復(fù)雜/組合工況；有利于開展風(fēng)電機組傳動鏈及關(guān)鍵部件設(shè)計與模型的評估和驗證，是提高機組設(shè)計開發(fā)質(zhì)量和效率的有效途徑。

3、風(fēng)電機組在運行過程中，風(fēng)輪及主傳動鏈通常會承載各類時變的動態(tài)不均衡載荷。如說明書附圖1所示，這些載荷主要可以分為沿主軸軸向的風(fēng)力轉(zhuǎn)矩載荷mx以及五自由度非轉(zhuǎn)矩載荷（fx,?fy,?fz,?my,?mz）。其中，fx，fy，fz分別表示軸向和徑向的力載荷，my，mz表示揮舞和偏擺的彎矩載荷。這些載荷實際上可歸結(jié)為幅值、相位各不相同的六自由度的力和彎矩，并可以按照一定的風(fēng)速和載荷模型加以計算獲得。因此，風(fēng)力機載荷的復(fù)現(xiàn)和加載技術(shù)可分為風(fēng)力轉(zhuǎn)矩載荷以及非轉(zhuǎn)矩載荷復(fù)現(xiàn)及加載兩類。

4、目前，風(fēng)力轉(zhuǎn)矩載荷的常見加載測試方案為單自由度拖動加載方式，即采用可控力矩電動機模擬旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩載荷mx，這也是地面試驗平臺的基本功能。單自由度拖動加載方式無法體現(xiàn)風(fēng)輪及其轉(zhuǎn)動慣量的影響，也不能復(fù)現(xiàn)風(fēng)輪的五自由度非轉(zhuǎn)矩載荷，因此，無法有效地實現(xiàn)真實的機組載荷加載測試。

5、現(xiàn)有的風(fēng)電機組載荷加載測試裝置和方法，比如中國發(fā)明專利（公開號：cn115200916b）公開了一種風(fēng)電機組載荷解耦加載裝置、方法、系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，根據(jù)五自由度載荷，實現(xiàn)對加載裝置中多個作動器的控制；中國發(fā)明專利申請（公開號：cn113865862a）公開了一種風(fēng)電機組傳動鏈全尺寸地面測試系統(tǒng)及其控制方法，提出了大容量風(fēng)電機組傳動鏈全尺寸地面測試系統(tǒng)開展設(shè)計的框架。又如中國發(fā)明專利（公開號：cn106813935b）公開了一種模擬大功率級風(fēng)機五自由度載荷的加載裝置，通過控制電液比例換向閥的開度和普通開關(guān)換向閥的加載接入數(shù)目，來控制每個點位得到范圍內(nèi)的任意加載力；中國發(fā)明專利申請（公開號：cn118776878a）公開了一種大型風(fēng)電六自由度加載的全機艙試驗臺，該試驗臺加載部分設(shè)計為六自由度并聯(lián)機構(gòu)。

6、上述加載測試裝置從設(shè)計、原理、功能與運行特性等方面有較多的共同點，也存在比較突出的問題，主要有：

7、（1）現(xiàn)有加載測試系統(tǒng)一般均采用液壓動力實現(xiàn)非轉(zhuǎn)矩載荷復(fù)現(xiàn)與加載。液壓加載器雖然具有輸出力與體積比較大、易于控制、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，但也存在油液泄露、污染等問題以及需要較多的附加設(shè)備，如泵站、補油裝置等設(shè)備，從而進一步增加了系統(tǒng)的成本。

8、（2）現(xiàn)有加載裝置的內(nèi)部采用靜壓軸承與油膜實現(xiàn)飛輪慣量盤的旋轉(zhuǎn)支承。靜壓支承存在摩擦、磨損和長時間運行后的大量溫升等問題，無法有效地保障加載測試的連續(xù)進行。而且，靜壓支承難免存在油液泄露和嚴苛的清潔問題，需要額外的補油和過濾裝置。高精度的靜壓軸承及其附件十分昂貴，構(gòu)成了加載測試系統(tǒng)成本的主體。

9、（3）現(xiàn)有加載測試裝置大多忽略了風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量的影響，沒有考慮到風(fēng)力機風(fēng)輪的慣量對于被測件的影響。

10、（4）風(fēng)力機在實際運行過程中，風(fēng)輪實際上是懸浮在機艙之外的，現(xiàn)有的加載測試裝置一般是采用聯(lián)軸器將被測件與拖動電機連接，采用固定式聯(lián)軸器或萬向聯(lián)軸器，忽略了風(fēng)輪實際存在的懸浮特性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種真實、可用、可靠和成本低廉的風(fēng)電機組主傳動鏈非接觸式載荷測試裝置及測試方法。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種風(fēng)電機組主傳動鏈非接觸式載荷測試裝置，包括與被測件連接的非接觸式電磁力加載單元，以及與所述非接觸式電磁力加載單元連接的耦合器和拖動電機；所述非接觸式電磁力加載單元包括殼體組件，所述殼體組件內(nèi)設(shè)有懸浮的飛輪慣量盤，所述飛輪慣量盤一側(cè)的輸入軸與所述耦合器連接、另一側(cè)的輸出軸與所述被測件連接；所述殼體組件的外周設(shè)有若干軸向和/或徑向布置的電磁鐵組件，所述電磁鐵組件均非接觸式對應(yīng)所述飛輪慣量盤的軸向盤面和/或徑向盤面。

4、本風(fēng)電機組主傳動鏈非接觸式載荷測試裝置通過對所述非接觸式電磁力加載單元進行改進，能夠讓所述飛輪慣量盤懸浮于所述殼體組件內(nèi)，兩者相對運動表面之間不存在機械接觸，具有無接觸、無需潤滑的特點，避免了潤滑劑所造成的環(huán)境污染等問題，同時，摩擦功耗和損失極小，消除了由接觸疲勞和磨損所帶來的可靠性和壽命問題。而且整個測試裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于制作和安裝，能夠極大的減小體型和降低成本。此外，本風(fēng)電機組主傳動鏈非接觸式載荷測試裝置還具備可控性好、可靠性好、通用性好、精度高和測試真實性好等優(yōu)點。

5、進一步的，所述被測件為風(fēng)電機組的機艙，至少包括齒輪箱、發(fā)電機和變流器。

6、進一步的，所述耦合器為永磁渦流耦合器，包括被動背鐵盤和主動背鐵盤，所述被動背鐵盤的一側(cè)設(shè)有耦合器輸出軸、另一側(cè)設(shè)有導(dǎo)電銅盤，所述耦合器輸出軸連接所述飛輪慣量盤的輸入軸；所述主動背鐵盤的一側(cè)設(shè)有耦合器輸入軸、另一側(cè)設(shè)置主動鋁盤，所述耦合器輸入軸連接所述拖動電機，所述主動鋁盤與所述導(dǎo)電銅盤相對設(shè)置并設(shè)有間隙δ。

7、通過上述結(jié)構(gòu)的布置，所述永磁渦流耦合器能夠懸浮、無直接接觸的連接所述飛輪慣量盤和所述拖動電機，能夠模擬風(fēng)電機組風(fēng)輪實際運行過程中的懸浮狀態(tài)，能夠高精度、真實還原風(fēng)電機組主傳動鏈運行的動態(tài)特性

8、進一步的，所述殼體組件包括加載殼體，以及支撐所述加載殼體的支撐腳，所述飛輪慣量盤懸浮于所述加載殼體的內(nèi)部，所述飛輪慣量盤的輸出軸和輸入軸無接觸的從所述加載殼體的兩側(cè)伸出；所述加載殼體的每個側(cè)面上分別設(shè)有若干讓位孔和安裝孔，用于連接所述電磁鐵組件。

9、進一步的，所述加載殼體為正方體、正多邊體或者圓盤形結(jié)構(gòu)，所述加載殼體的支撐高度大于單個徑向電磁鐵組件的長度，以便殼體的底部能夠正常安裝電磁鐵組件；所述加載殼體的外周還預(yù)留有若干擴展位，這些擴展為也預(yù)設(shè)有所述讓位孔和安裝孔，以便根據(jù)需要增加電磁鐵組件。

10、進一步的，所述殼體組件的軸向上至少對稱布置有四對電磁鐵組件，徑向上至少中心對稱的布置有四個電磁鐵組件，還預(yù)留有若干可擴展的電磁鐵組件。

11、進一步的，所述電磁鐵組件包括電磁鐵主體，以及與所述電磁鐵主體連接的拉力傳感器；所述電磁鐵主體的一端穿過所述殼體組件與所述飛輪慣量盤的盤面對應(yīng)并設(shè)有間隙δ，所述拉力傳感器設(shè)置在遠離所述飛輪慣量盤的一端并在端部連接有端部固定板，所述端部固定板通過若干連接件與所述殼體組件連接。

12、通過所述電磁鐵主體和所述拉力傳感器的設(shè)置，可以提高加載力的控制精度；電磁加載力與輸入控制電流成線性正比例關(guān)系，具有良好的線性可控性，克服了傳統(tǒng)的液壓加載力與伺服閥的位移及液壓系統(tǒng)的流量和壓力之間具有明顯的非線性關(guān)系，不易實現(xiàn)直接控制的問題。

13、進一步的，所述電磁鐵主體包含鐵芯及緊密纏繞鐵芯表面的可通電的多匝線圈，所述鐵芯的軸線與所述飛輪慣量盤的表面垂直設(shè)置。

14、進一步的，所述間隙δ不超過6mm，所述殼體組件內(nèi)還設(shè)有用于測量所述間隙δ的位移傳感器。

15、一種風(fēng)電機組主傳動鏈非接觸式載荷測試裝置的測試方法，所述測試方法包括如下步驟：

16、啟動測試裝置，所述拖動電機通過所述耦合器拖動所述飛輪慣量盤在所述非接觸式電磁力加載單元的殼體組件內(nèi)低速轉(zhuǎn)動，并對所述飛輪慣量盤和所述被測件施加風(fēng)力機轉(zhuǎn)矩載荷，所述飛輪慣量盤通過所述耦合器與拖動電機浮動連接，模擬風(fēng)輪的懸浮慣量特性；

17、控制所述電磁鐵組件的吸引力，合成五自由度的非轉(zhuǎn)矩載荷，使所述被測件承受來自拖動電機的風(fēng)力轉(zhuǎn)矩載荷以及所述非接觸式電磁力加載單元所施加的五自由度非轉(zhuǎn)矩載荷。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：1、本風(fēng)電機組主傳動鏈非接觸式載荷測試裝置通過對所述非接觸式電磁力加載單元進行改進，能夠讓所述飛輪慣量盤懸浮于所述殼體組件內(nèi)，兩者相對運動表面之間不存在機械接觸，具有無接觸、無需潤滑的特點，避免了潤滑劑所造成的環(huán)境污染等問題，同時，摩擦功耗和損失極小，一般只有流體靜壓支承的十分之一左右，且消除了由接觸疲勞和磨損所帶來的可靠性和壽命問題；2、由于且本非接觸式電磁力加載單元可在無任何機械接觸條件下工作，無需冷卻、潤滑系統(tǒng)，大幅降低了整個測試裝置運行、維護的費用，并可提高可靠性和壽命；同時，電磁力加載單元只受其材料極限強度的限制，功耗和噪聲極低，能適用于多種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，能較好地用于模擬和再現(xiàn)復(fù)雜、極端、苛刻的風(fēng)電機組運行工況；3、通過電磁力加載的靜態(tài)和動態(tài)性能均能在線實時可控；在所述飛輪慣量盤位移相對較小時，電磁加載力與輸入控制電流成線性正比例關(guān)系，具有良好的線性可控性。而且，所述飛輪慣量盤的位移和加載力可以實時檢測，并反饋至控制系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，從而可以進一步地提高加載力的控制精度；4、本風(fēng)電機組主傳動鏈非接觸式載荷測試裝置還具備通用性良好的特點，通過沿所述飛輪慣量盤的表面設(shè)置更多合適數(shù)量的電磁鐵組件，以及更換不同尺寸和重量的飛輪慣量盤，并通過合理的載荷分解與合成的算法，可用于測試不同型號風(fēng)電機組的主傳動鏈，形成公共、通用性加載測試平臺。當設(shè)置足夠多的電磁鐵組件時，可滿足大功率，甚至超大功率風(fēng)電機組主傳動鏈六自由度載荷測試的要求；5、飛輪慣量盤通過永磁渦流耦合器與拖動電機懸浮連接，能夠模擬風(fēng)電機組風(fēng)輪實際運行過程中的懸浮狀態(tài)，能夠高精度、真實還原風(fēng)電機組主傳動鏈運行的動態(tài)特性，通過電磁鐵組件和非接觸的方式將五自由度載荷施加到飛輪慣量盤，能夠較好的再現(xiàn)風(fēng)力機風(fēng)輪的設(shè)計運行過程。