一种风力发电机组传动链扭矩测试系统及其实施方法与流程

1.本发明涉及风力发电机组传动链扭矩测试的技术领域，尤其是指一种风力发电机组传动链扭矩测试系统及其实施方法。


背景技术：

2.风力发电机组能够直接将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能。风力发电机组的风轮是把自然风转换成机械能的重要部件。风轮输出机械能的多少直接体现风能利用效率的高低,而输出机械能的多少取决于风轮输出轴扭矩的多少。在机械学中，扭矩是十分重要的参数，扭矩大小和变化特性影响到机械的工作能力、能源消耗、寿命、效率和安全等性能，因而扭矩也是各种机械实验过程中必须测试的一项参数。扭矩的测量对传动系统各工作零件的强度设计和电机容量的选择具有重要意义。
3.传统测试传动链扭矩方法是在传动链中串联扭力测试仪来进行扭矩的测试，此方法针对半直驱机组测试执行起来非常困难，现场需要对传动链进行整改，甚至需要修改整个传动链跟齿轮箱的结构，测试成本非常昂贵，测试周期也很长。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风力发电机组传动链扭矩测试系统及其实施方法，能够有效解决风力发电机组传动链扭矩测试难的问题。
5.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风力发电机组传动链扭矩测试系统，所述传动链包括依次连接的风轮、低速轴、齿轮箱、高速轴、联轴器和发电机；所述测试系统包括扭矩应变片、电滑环和数据采集系统，所述扭矩应变片有两个，并对称粘贴在高速轴的轴身的两侧，每个扭矩应变片包括两个呈v形布置的应变阻丝，将四个应变阻丝串联组成全桥电路，用于在高速轴承受扭矩后产生应变桥路信号，所述电滑环安装在高速轴上，分别与全桥电路和数据采集系统通讯连接，用于将全桥电路的应变桥路信号传输至数据采集系统，所述数据采集系统与机组的主控系统通讯连接，用于采集主控系统发出的风机主控信号以及采集机组处于不同风机主控信号下全桥电路的应变桥路信号，进而根据应变桥路信号计算得出传动链在不同风况下的扭矩值。
6.进一步，所述数据采集系统采集的风机主控信号有机舱风速、机舱风向、发电机功率、发电机转速和机组运行状态变量。
7.进一步，所述数据采集系统根据应变桥路信号计算得出传动链在不同风况下的扭矩值的具体过程如下：
8.将数据采集系统采集到的每个风况下的应变桥路信号代入应变桥路信号与切应变的关系公式，从而计算出对应风况下扭矩应变片贴片位置的切应变：
[0009][0010]
式中，k表示扭矩应变片灵敏度系数，u表示数据采集系统采集到的应变桥路信号
的比值，b表示桥路放大倍数，y表示扭矩应变片贴片位置的切应变；
[0011]
扭矩应变片贴片位置横截面对圆心的极惯性矩为：
[0012][0013]
式中，ip表示扭矩应变片贴片位置横截面对圆心的极惯性矩；d表示扭矩应变片贴片位置圆筒外径；d表示扭矩应变片贴片位置圆筒内径；
[0014]
切变模量为：
[0015][0016]
式中，g表示切变模量；e为常量，表示贴片位置材料的杨氏模量；v为常量，表示贴片位置材料的泊松比；
[0017]
切应力为：
[0018][0019]
τ＝g*y
ꢀꢀꢀꢀ
公式(5)
[0020]
式中，τ表示切应力；r表示扭矩应变片贴片位置圆筒外圆半径；t表示传动链扭矩；
[0021]
将公式(2)、公式(3)代入公式(4)、公式(5)推导出扭矩应变片贴片位置的切应变与传动链扭矩的关系式为：
[0022][0023]
将根据公式(1)计算得到的不同风况下的切应变代入公式(6)得到传动链在不同风况下的扭矩值。
[0024]
进一步，所述电滑环的转子安装在高速轴的轴身上，并与全桥电路通讯连接，其定子安装在高速轴的刹车盘上，并与数据采集系统通讯连接。
[0025]
进一步，所述扭矩应变片具有温度补偿功能。
[0026]
一种风力发电机组传动链扭矩测试系统的实施方法，首先，在高速轴上安装电滑环并粘贴两个扭矩应变片，其中，电滑环的转子是安装在高速轴的轴身上，其定子是安装在高速轴的刹车盘上，两个扭矩应变片是对称粘贴在高速轴轴身的两侧，然后将两个扭矩应变片连接组成全桥电路，并与电滑环的转子通讯连接，将电滑环的定子与数据采集系统通讯连接，全桥电路在高速轴承受扭矩后产生应变桥路信号，通过电滑环能够将全桥电路的应变桥路信号传输至数据采集系统，最后，将数据采集系统与机组的主控系统通讯连接，通过数据采集系统采集机组处于不同风机主控信号下全桥电路的应变桥路信号，根据应变桥路信号最终得出传动链在不同风况下的扭矩值。
[0027]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0028]
1、本发明具有操作简单、成本低、测量准确度高、测试周期短等优点，不需要在现场对传动链进行整改，也不需要修改整个传感链跟齿轮箱结构，省去拆除传动系统大部件的工作，节省大型设备的拆除成本，节省测试时间。
[0029]
2、本发明采用的扭矩应变片相对于扭力测试仪体积小，测试范围更广。
附图说明
[0030]
图1为本发明的测试系统的结构示意图。
[0031]
图2为本发明的测试系统的通讯示意图。
[0032]
图3为本发明的测试系统在高速轴上的安装示意图一。
[0033]
图4为本发明的测试系统在高速轴上的安装示意图二。
具体实施方式
[0034]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明的使用方式不限于此。
[0035]
风力发电机组的传动链包括风轮、低速轴、齿轮箱、高速轴、联轴器和发电机，风轮通过螺栓连接低速轴，低速轴经过齿轮箱的二级行星齿轮连接到高速轴，高速轴经过联轴器连接发电机，风轮的叶片吸收能量带动风轮低速旋转，风轮低速旋转带动低速轴旋转，低速轴转速经过齿轮箱行星增速后从高速轴高转速输出，进而通过联轴器带动发电机高速旋转，实现风能到电能的转换。
[0036]
如图1至图4所示，本实施例所述的风力发电机组传动链扭矩测试系统，所述测试系统包括扭矩应变片1、电滑环2和数据采集系统3；所述扭矩应变片1有两个，并对称粘贴在高速轴5的轴身的两侧，也可选择在其他规则且光滑的圆柱体或圆筒外表面，例如联轴器或传动链主轴外表面等，贴片位置需要打磨光滑，将该两个扭矩应变片1连接组成全桥电路，扭矩应变片1应选择具有温度补偿功能的v型电阻式扭矩应变片1，应变片贴片的位置温度变化大，没有温度补偿功能的应变片测试误差受温度影响较大，扭矩应变片1贴片需要用应变片专用胶水，贴片温度在10℃以上比较适宜应变片胶水凝固；所述电滑环2安装在高速轴5上，其中，其转子201是安装在高速轴5的轴身上，并与全桥电路通讯连接，其定子202是安装在高速轴的刹车盘(图中未示出)上，并与数据采集系统3通讯连接，通过电滑环将全桥电路的应变桥路信号传输至数据采集系统3，本实施例中全桥电路、电滑环以及数据采集系统之间均采用485通讯方式进行通讯，同时通过电滑环2能为扭矩应变片及全桥电路进行供电；所述数据采集系统3与机组的主控系统4通讯连接，本实施例中主控系统4和数据采集系统3同时支持modbus tcp/ip的通讯，因此数据采集系统3与主控系统4只需要采用一根网线连接即可，所述数据采集系统3用于采集主控系统4发出的风机主控信号(包括机舱风速、机舱风向、发电机功率、发电机转速和机组运行状态变量等信号)以及采集机组处于不同风机主控信号下全桥电路的应变桥路信号，进而根据应变桥路信号计算得出传动链在不同风况下的扭矩值，其具体计算过程如下：
[0037]
将数据采集系统3采集到的每个风况下的应变桥路信号代入应变桥路信号与切应变的关系公式，从而计算出对应风况下扭矩应变片1贴片位置的切应变：
[0038][0039]
式中，k表示扭矩应变片灵敏度系数，u表示数据采集系统采集到的应变桥路信号的比值，b表示桥路放大倍数，全桥为常数4，y表示扭矩应变片贴片位置的切应变；
[0040]
扭矩应变片贴片位置横截面对圆心的极惯性矩为：
[0041]
[0042]
式中，ip表示扭矩应变片贴片位置横截面对圆心的极惯性矩；d表示扭矩应变片贴片位置圆筒外径；d表示扭矩应变片贴片位置圆筒内径；
[0043]
切变模量为：
[0044][0045]
式中，g表示切变模量；e为常量，表示贴片位置材料的杨氏模量；v为常量，表示贴片位置材料的泊松比；
[0046]
切应力为：
[0047][0048]
τ＝g*y
ꢀꢀꢀꢀ
公式(5)
[0049]
式中，τ表示应力；r表示扭矩应变片贴片位置圆筒外圆半径；t表示传动链扭矩；
[0050]
将公式(2)、公式(3)代入公式(4)、公式(5)推导出扭矩应变片1贴片位置的切应变与传动链扭矩的关系式为：
[0051][0052]
将根据公式(1)计算得到的不同风况下的切应变代入公式(6)得到传动链在不同风况下的扭矩值。
[0053]
本实施例所述的风力发电机组传动链扭矩测试系统的实施方法，具体为：首先，在高速轴5上安装电滑环2并粘贴两个扭矩应变片1，且电滑环2的转子201是安装在高速轴5的轴身上，其定子202是安装在高速轴5的刹车盘上，两个扭矩应变片1是对称粘贴在高速轴5轴身的两侧，然后将两个扭矩应变片1连接组成全桥电路，并与电滑环2的转子201通讯连接，将电滑环2的定子与数据采集系统3通讯连接，全桥电路在高速轴承受扭矩后产生应变桥路信号，通过电滑环2能够将扭矩应变片1的应变信号传输至数据采集系统3，最后，将数据采集系统3与机组的主控系统4通讯连接，通过数据采集系统3采集机组处于不同风机主控信号下全桥电路的应变桥路信号，根据应变桥路信号最终得出传动链在不同风况下的扭矩值。
[0054]
本发明的测试系统测试应变信号采样频率能达到50hz以上，能进行长时间的监测，结合风机的主控系统，能够参与风机控制系统的实时监测运行，适合广泛推广与使用。
[0055]
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种风力发电机组传动链扭矩测试系统，所述传动链包括依次连接的风轮、低速轴、齿轮箱、高速轴、联轴器和发电机；其特征在于：所述测试系统包括扭矩应变片、电滑环和数据采集系统，所述扭矩应变片有两个，并对称粘贴在高速轴的轴身的两侧，每个扭矩应变片包括两个呈v形布置的应变阻丝，将四个应变阻丝串联组成全桥电路，用于在高速轴承受扭矩后产生应变桥路信号，所述电滑环安装在高速轴上，分别与全桥电路和数据采集系统通讯连接，用于将全桥电路的应变桥路信号传输至数据采集系统，所述数据采集系统与机组的主控系统通讯连接，用于采集主控系统发出的风机主控信号以及采集机组处于不同风机主控信号下全桥电路的应变桥路信号，进而根据应变桥路信号计算得出传动链在不同风况下的扭矩值。2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组传动链扭矩测试系统，其特征在于：所述数据采集系统采集的风机主控信号有机舱风速、机舱风向、发电机功率、发电机转速和机组运行状态变量。3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组传动链扭矩测试系统，其特征在于：所述数据采集系统根据应变桥路信号计算得出传动链在不同风况下的扭矩值的具体过程如下：将数据采集系统采集到的每个风况下的应变桥路信号代入应变桥路信号与切应变的关系公式，从而计算出对应风况下扭矩应变片贴片位置的切应变：式中，k表示扭矩应变片灵敏度系数，u表示数据采集系统采集到的应变桥路信号的比值，b表示桥路放大倍数，y表示扭矩应变片贴片位置的切应变；扭矩应变片贴片位置横截面对圆心的极惯性矩为：式中，ip表示扭矩应变片贴片位置横截面对圆心的极惯性矩；d表示扭矩应变片贴片位置圆筒外径；d表示扭矩应变片贴片位置圆筒内径；切变模量为：式中，g表示切变模量；e为常量，表示贴片位置材料的杨氏模量；v为常量，表示贴片位置材料的泊松比；切应力为：τ＝g*y
ꢀꢀꢀ
公式(5)式中，τ表示切应力；r表示扭矩应变片贴片位置圆筒外圆半径；t表示传动链扭矩；将公式(2)、公式(3)代入公式(4)、公式(5)推导出扭矩应变片贴片位置的切应变与传动链扭矩的关系式为：
将根据公式(1)计算得到的不同风况下的切应变代入公式(6)得到传动链在不同风况下的扭矩值。4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组传动链扭矩测试系统，其特征在于：所述电滑环的转子安装在高速轴的轴身上，并与全桥电路通讯连接，其定子安装在高速轴的刹车盘上，并与数据采集系统通讯连接。5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组传动链扭矩测试系统，其特征在于：所述扭矩应变片具有温度补偿功能。6.根据权利要求1～5任一项所述的一种风力发电机组传动链扭矩测试系统的实施方法，其特征在于：首先，在高速轴上安装电滑环并粘贴两个扭矩应变片，其中，电滑环的转子是安装在高速轴的轴身上，其定子是安装在高速轴的刹车盘上，两个扭矩应变片是对称粘贴在高速轴轴身的两侧，然后将两个扭矩应变片连接组成全桥电路，并与电滑环的转子通讯连接，将电滑环的定子与数据采集系统通讯连接，全桥电路在高速轴承受扭矩后产生应变桥路信号，通过电滑环能够将全桥电路的应变桥路信号传输至数据采集系统，最后，将数据采集系统与机组的主控系统通讯连接，通过数据采集系统采集机组处于不同风机主控信号下全桥电路的应变桥路信号，根据应变桥路信号最终得出传动链在不同风况下的扭矩值。

技术总结
本发明公开了一种风力发电机组传动链扭矩测试系统及其实施方法，所述测试系统包括扭矩应变片、电滑环和数据采集系统，所述扭矩应变片有两个，并对称粘贴在传动链高速轴的轴身的两侧，每个扭矩应变片包括两个呈V形布置的应变阻丝，将四个应变阻丝串联组成全桥电路，所述电滑环安装在高速轴上，分别与全桥电路和数据采集系统通讯连接，用于将全桥电路的应变桥路信号传输至数据采集系统，所述数据采集系统与机组的主控系统通讯连接，用于采集主控系统发出的风机主控信号以及采集机组处于不同风机主控信号下全桥电路的应变桥路信号，进而根据应变桥路信号计算得出传动链在不同风况下的扭矩值。本发明能够有效解决风力发电机组传动链扭矩测试难的问题。传动链扭矩测试难的问题。传动链扭矩测试难的问题。


技术研发人员：吴幸维 刘坤 石宇峰 魏煜锋 梁细明 陈阳 吕万 郑硕 吉红伟 黄达
受保护的技术使用者：明阳智慧能源集团股份公司
技术研发日：2021.11.09
技术公布日：2022/3/7