為了提高風(fēng)電的市場競爭力，降低成本，風(fēng)電機組單機容量向大型化發(fā)展。為了盡可能多地捕獲風(fēng)能，勢必要增大風(fēng)電機組葉片的掃風(fēng)面積，即增加葉片的長度，這必然導(dǎo)致葉輪具有更大的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，從而導(dǎo)致振動增大。為避免振動對風(fēng)電機組產(chǎn)生破壞，需要進行風(fēng)電機組動力學(xué)建模分析，預(yù)測其振動特性，以指導(dǎo)設(shè)計。近年來，振動故障在大型風(fēng)電機組故障中占比越來越大，測試和診斷結(jié)果表明，動力學(xué)設(shè)計必須要貫徹到風(fēng)電機組的設(shè)計之中。然而，目前市面上，專門針對風(fēng)電機組動力學(xué)進行研究和分析的書籍資料并不多見。為此，作者在多年從事大型風(fēng)電機組動力學(xué)分析研究工作的基礎(chǔ)上撰寫本書，旨在為風(fēng)電機組設(shè)計人員尤其是動力學(xué)分析研究人員提供參考。
本書利用模擬仿真和試驗驗證相結(jié)合的方法，構(gòu)建標準的整機動力學(xué)建模方法，參照風(fēng)電行業(yè)權(quán)威的動力學(xué)認證規(guī)范——GL標準及大量國內(nèi)外動力學(xué)認證標準和資料，構(gòu)建適合國內(nèi)帶增速齒輪箱的風(fēng)電機組動力學(xué)分析流程；利用建立的風(fēng)電機組動力學(xué)模型，研究輕量化葉片對風(fēng)電機組動態(tài)性能的影響，對比分析葉片輕量化前后風(fēng)電機組的載荷曲線、功率曲線、轉(zhuǎn)速曲線及關(guān)鍵部件的承載曲線；開展風(fēng)電機組參數(shù)敏感性研究，研究葉片長度和重量、齒輪箱彈性支撐跨距、彈性支撐剛度等對風(fēng)電機組動態(tài)性能的影響；最后，在對若干風(fēng)電機組進行振動測試和分析的工作基礎(chǔ)上，結(jié)合大量風(fēng)電機組載荷計算結(jié)果和動力學(xué)分析結(jié)果，總結(jié)出對傳動系統(tǒng)振動特性影響程度較高的特征工況和風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)振動測試最優(yōu)的定位點。在真實風(fēng)場環(huán)境中的風(fēng)電機組，可以根據(jù)經(jīng)驗對其運行工況有選擇地進行振動測試。
作者所在的株洲時代新材料科技股份有限公司是國內(nèi)著名的橡膠彈性元件、高分子減振降噪產(chǎn)品、風(fēng)電葉片等的研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于鐵路、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、橋梁、汽車等行業(yè)，擁有高分子材料工程化應(yīng)用、減振技術(shù)、降噪技術(shù)、輕量化技術(shù)和絕緣技術(shù)等核心技術(shù)優(yōu)勢。其中風(fēng)電類產(chǎn)品涵蓋風(fēng)電葉片、彈性支撐、阻尼材料、絕緣材料、聯(lián)軸器、電磁線等六大類，風(fēng)電葉片現(xiàn)有生產(chǎn)基地6個，已有3000多套葉片在全國90多個風(fēng)場運行，性能和口碑良好。
本書以某水平軸風(fēng)電機組為研究對象對風(fēng)電機組的整機動力學(xué)、傳動系統(tǒng)動力學(xué)以及齒輪箱、發(fā)電機、葉輪、偏航系統(tǒng)的動力學(xué)進行研究，主要介紹風(fēng)電機組動力學(xué)仿真分析過程及計算結(jié)果。全書共8章。第1章為風(fēng)電機組動力學(xué)研究現(xiàn)狀。第2章為風(fēng)電機組整機動力學(xué)，從基本概念、原理到建模、求解，重點對幾種機型的整機動力學(xué)特性進行對比研究。第3章為風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)動力學(xué)，包括動力學(xué)建模、參數(shù)計算、頻域分析、時域分析等。第4、5章針對風(fēng)電機組關(guān)鍵部件齒輪箱、發(fā)電機進行動力學(xué)特性分析研究，從多個維度對動態(tài)特性進行研究。第6章為風(fēng)電機組葉輪不平衡特性研究，建立包括塔筒在內(nèi)的整機動力學(xué)模型，對質(zhì)量不平衡和氣動不平衡分別進行仿真研究。第7章為風(fēng)電機組偏航系統(tǒng)動力學(xué)，建立合適的兆瓦級風(fēng)電機組偏航系統(tǒng)運動學(xué)模型，研究其運動規(guī)律和影響因素。第8章為傳動系統(tǒng)動力學(xué)試驗，包括試驗方案、設(shè)備、工況、傳感器布點位置等，重點在于試驗數(shù)據(jù)分析，并將試驗分析結(jié)果與仿真計算結(jié)果進行多角度對比。
本書由趙萍、高首聰、卜繼玲、賀才春撰寫，參與各章節(jié)撰寫的人員還有高康、劉奇星、查國濤、王永勝、楊柳等。在本書的撰寫過程中，得到了株洲時代新材料科技股份有限公司總經(jīng)理楊軍博士、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)肖加余教授和曾竟成教授、中車株洲電力機車研究所有限公司李曉光教授級高級工程師等的悉心指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。感謝中車株洲電力機車研究所有限公司風(fēng)電事業(yè)部技術(shù)中心領(lǐng)導(dǎo)及總體部同事對本書研究工作的大力支持，感謝GET集團提供寶貴的德文動力學(xué)專業(yè)參考資料及技術(shù)方面的大力支持，同時也感謝科學(xué)出版社對本書出版的幫助。
受到作者知識水平的限制，書中不足或疏漏之處在所難免，懇請讀者諒解和指正。
序言
前言
第1章 風(fēng)電機組動力學(xué)研究現(xiàn)狀
1．1 國內(nèi)外風(fēng)電機組動力學(xué)研究現(xiàn)狀
1．2 國內(nèi)外風(fēng)電機組動力學(xué)分析研究方法
1．3 國內(nèi)外風(fēng)電機組動力學(xué)相關(guān)研究
第2章 風(fēng)電機組整機動力學(xué)
2．1 多體動力學(xué)基本概念
2．2 多體動力學(xué)原理
2．2．1 虛位移原理
2．2．2 Hamilton原理
2．2．3 Lagrange方程
2．2．4 阻尼矩陣
2．2．5 Newmark方法
2．3 多體動力學(xué)仿真軟件介紹
2．3．1 SIMPACK
2．3．2 ADAMS
2．3．3 SAMCEF
2．4 風(fēng)電機組多體動力學(xué)建模
2．4．1 風(fēng)電機組建模過程
2．4．2 風(fēng)電機組坐標系
2．4．3 葉片柔性體建模
2．4．4 復(fù)雜柔性體建模
2．5 整機動力學(xué)
2．5．1 風(fēng)電機組虛擬樣機建模
2．5．2 動力學(xué)模型參數(shù)計算
2．5．3 動力學(xué)仿真結(jié)果分析
第3章 風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)動力學(xué)
3．1 風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析概述
3．2 風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析
3．2．1 風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)動力學(xué)建模
3．2．2 頻域分析
3．2．3 時域分析
3．2．4 分析結(jié)果
3．3 基于動力學(xué)模型的參數(shù)敏感性研究
3．3．1 葉片長度和重量
3．3．2 齒輪箱彈性支撐跨距
3．3．3 齒輪箱彈性支撐剛度
第4章 風(fēng)電機組發(fā)電機動力學(xué)
4．1 風(fēng)電機組發(fā)電機物理模型
4．2 發(fā)電機動態(tài)性能研究
4．2．1 發(fā)電機仿真模型
4．2．2 發(fā)電機仿真模態(tài)計算
4．3 發(fā)電機模態(tài)試驗
4．3．1 模態(tài)試驗概述
4．3．2 模態(tài)分析方法
4．3．3 發(fā)電機整體模態(tài)試驗
4．4 發(fā)電機敏感參數(shù)研究
4．4．1 彈性支撐剛度
4．4．2 軸承剛度
4．5 發(fā)電機動力學(xué)模型對風(fēng)電機組動態(tài)性能的影響研究
第5章 風(fēng)電機組齒輪箱動態(tài)性能研究
5．1 風(fēng)電機組齒輪傳動系統(tǒng)
5．2 齒輪箱動態(tài)性能研究
5．2．1 齒輪箱的模態(tài)計算
5．2．2 齒輪箱關(guān)鍵動態(tài)性能參數(shù)研究
5．3 風(fēng)電機組運行環(huán)境下齒輪箱振動測試研究
5．3．1 測試概述
5．3．2 齒輪箱頂部振動加速度分析
5．3．3 扭力臂振動位移分析
5．4 齒輪箱旋轉(zhuǎn)零部件模態(tài)測試
5．4．1 邊界條件
5．4．2 高速輸出軸
第6章 風(fēng)電機組葉輪不平衡特性研究
6．1 風(fēng)電機組質(zhì)量不平衡
6．2 風(fēng)電機組葉輪不平衡仿真研究
6．2．1 仿真模型
6．2．2 葉輪質(zhì)量不平衡仿真分析
6．2．3 葉輪氣動不平衡仿真分析
第7章 風(fēng)電機組偏航系統(tǒng)動力學(xué)
7．1 滑動偏航軸承工作原理
7．2 風(fēng)電機組偏航系統(tǒng)低速抖動動力學(xué)特性研究
7．2．1 偏航系統(tǒng)低速抖動機理分析
7．2．2 偏航系統(tǒng)低速抖動運動學(xué)模型
7．2．3 偏航系統(tǒng)低速抖動動力學(xué)仿真
7．3 主動偏航過程兆瓦級風(fēng)電機組偏航系統(tǒng)振動數(shù)學(xué)模型
7．3．1 主動偏航過程兆瓦級風(fēng)電機組偏航系統(tǒng)振動機理
7．3．2 主動偏航過程兆瓦級風(fēng)電機組偏航系統(tǒng)平衡位置振動
7．3．3 主動偏航過程兆瓦級風(fēng)電機組偏航系統(tǒng)摩擦失穩(wěn)分析
7．4 偏航系統(tǒng)振動試驗
7．4．1 試驗設(shè)備
7．4．2 傳感器布置
7．4．3 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析
第8章 傳動系統(tǒng)動力學(xué)試驗
8．1 傳動系統(tǒng)動力學(xué)試驗概述
8．2 試驗
8．2．1 試驗原理及測試系統(tǒng)
8．2．2 測點布置
8．2．3 工況設(shè)置
8．2．4 試驗基本步驟
8．3 試驗結(jié)果分析
8．3．1 工況1：啟動（0～1200r／min）結(jié)果分析
8．3．2 工況2：停機（1200～0r／min）結(jié)果分析
8．3．3 工況3（820r／min）結(jié)果分析
8．3．4 工況4（865r／min）結(jié)果分析
8．3．5 工況5（900r／min）、工況6（920r／min）、工況7（930r／min）結(jié)果分析
8．3．6 工況8（990r／min）、工況9（1100／min）結(jié)果分析
8．3．7 工況10（1200r／min，額定）結(jié)果分析
8．4 主要試驗結(jié)論
參考文獻
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