為了提高風電的市場競爭力，降低成本，風電機組單機容量向大型化發展。為了盡可能多地捕獲風能，勢必要增大風電機組葉片的掃風面積，即增加葉片的長度，這必然導致葉輪具有更大的質量和轉動慣量，從而導致振動增大。為避免振動對風電機組產生破壞，需要進行風電機組動力學建模分析，預測其振動特性，以指導設計。近年來，振動故障在大型風電機組故障中占比越來越大，測試和診斷結果表明，動力學設計必須要貫徹到風電機組的設計之中。然而，目前市面上，專門針對風電機組動力學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電機組動力學分析研究工作的基礎上撰寫本書，旨在為風電機組設計人員尤其是動力學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合的方法，構建標準的整機動力學建模方法，參照風電行業權威的動力學認證規范——GL標準及大量國內外動力學認證標準和資料，構建適合國內帶增速齒輪箱的風電機組動力學分析流程；利用建立的風電機組動力學模型，研究輕量化葉片對風電機組動態性能的影響，對比分析葉片輕量化前后風電機組的載荷曲線、功率曲線、轉速曲線及關鍵部件的承載曲線；開展風電機組參數敏感性研究，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電機組動態性能的影響；最后，在對若干風電機組進行振動測試和分析的工作基礎上，結合大量風電機組載荷計算結果和動力學分析結果，總結出對傳動系統振動特性影響程度較高的特征工況和風電機組傳動系統振動測試最優的定位點。在真實風場環境中的風電機組，可以根據經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著名的橡膠彈性元件、高分子減振降噪產品、風電葉片等的研發和生產企業，產品廣泛應用于鐵路、軌道交通、風力發電、橋梁、汽車等行業，擁有高分子材料工程化應用、減振技術、降噪技術、輕量化技術和絕緣技術等核心技術優勢。其中風電類產品涵蓋風電葉片、彈性支撐、阻尼材料、絕緣材料、聯軸器、電磁線等六大類，風電葉片現有生產基地6個，已有3000多套葉片在全國90多個風場運行，性能和口碑良好。
本書以某水平軸風電機組為研究對象對風電機組的整機動力學、傳動系統動力學以及齒輪箱、發電機、葉輪、偏航系統的動力學進行研究，主要介紹風電機組動力學仿真分析過程及計算結果。全書共8章。第1章為風電機組動力學研究現狀。第2章為風電機組整機動力學，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特性進行對比研究。第3章為風電機組傳動系統動力學，包括動力學建模、參數計算、頻域分析、時域分析等。第4、5章針對風電機組關鍵部件齒輪箱、發電機進行動力學特性分析研究，從多個維度對動態特性進行研究。第6章為風電機組葉輪不平衡特性研究，建立包括塔筒在內的整機動力學模型，對質量不平衡和氣動不平衡分別進行仿真研究。第7章為風電機組偏航系統動力學，建立合適的兆瓦級風電機組偏航系統運動學模型，研究其運動規律和影響因素。第8章為傳動系統動力學試驗，包括試驗方案、設備、工況、傳感器布點位置等，重點在于試驗數據分析，并將試驗分析結果與仿真計算結果進行多角度對比。
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理楊軍博士、國防科學技術大學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，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電事業部技術中心領導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專業參考資料及技術方面的大力支持，同時也感謝科學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 風電機組動力學研究現狀
1．1 國內外風電機組動力學研究現狀
1．2 國內外風電機組動力學分析研究方法
1．3 國內外風電機組動力學相關研究
第2章 風電機組整機動力學
2．1 多體動力學基本概念
2．2 多體動力學原理
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 多體動力學仿真軟件介紹
2．3．1 SIMPACK
2．3．2 ADAMS
2．3．3 SAMCEF
2．4 風電機組多體動力學建模
2．4．1 風電機組建模過程
2．4．2 風電機組坐標系
2．4．3 葉片柔性體建模
2．4．4 復雜柔性體建模
2．5 整機動力學
2．5．1 風電機組虛擬樣機建模
2．5．2 動力學模型參數計算
2．5．3 動力學仿真結果分析
第3章 風電機組傳動系統動力學
3．1 風電機組傳動系統動力學分析概述
3．2 風電機組傳動系統動力學分析
3．2．1 風電機組傳動系統動力學建模
3．2．2 頻域分析
3．2．3 時域分析
3．2．4 分析結果
3．3 基于動力學模型的參數敏感性研究
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 風電機組發電機動力學
4．1 風電機組發電機物理模型
4．2 發電機動態性能研究
4．2．1 發電機仿真模型
4．2．2 發電機仿真模態計算
4．3 發電機模態試驗
4．3．1 模態試驗概述
4．3．2 模態分析方法
4．3．3 發電機整體模態試驗
4．4 發電機敏感參數研究
4．4．1 彈性支撐剛度
4．4．2 軸承剛度
4．5 發電機動力學模型對風電機組動態性能的影響研究
第5章 風電機組齒輪箱動態性能研究
5．1 風電機組齒輪傳動系統
5．2 齒輪箱動態性能研究
5．2．1 齒輪箱的模態計算
5．2．2 齒輪箱關鍵動態性能參數研究
5．3 風電機組運行環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 齒輪箱旋轉零部件模態測試
5．4．1 邊界條件
5．4．2 高速輸出軸
第6章 風電機組葉輪不平衡特性研究
6．1 風電機組質量不平衡
6．2 風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 風電機組偏航系統動力學
7．1 滑動偏航軸承工作原理
7．2 風電機組偏航系統低速抖動動力學特性研究
7．2．1 偏航系統低速抖動機理分析
7．2．2 偏航系統低速抖動運動學模型
7．2．3 偏航系統低速抖動動力學仿真
7．3 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統振動數學模型
7．3．1 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統振動機理
7．3．2 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統平衡位置振動
7．3．3 主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統摩擦失穩分析
7．4 偏航系統振動試驗
7．4．1 試驗設備
7．4．2 傳感器布置
7．4．3 試驗數據及結果分析
第8章 傳動系統動力學試驗
8．1 傳動系統動力學試驗概述
8．2 試驗
8．2．1 試驗原理及測試系統
8．2．2 測點布置
8．2．3 工況設置
8．2．4 試驗基本步驟
8．3 試驗結果分析
8．3．1 工況1：啟動（0～1200r／min）結果分析
8．3．2 工況2：停機（1200～0r／min）結果分析
8．3．3 工況3（820r／min）結果分析
8．3．4 工況4（865r／min）結果分析
8．3．5 工況5（900r／min）、工況6（920r／min）、工況7（930r／min）結果分析
8．3．6 工況8（990r／min）、工況9（1100／min）結果分析
8．3．7 工況10（1200r／min，額定）結果分析
8．4 主要試驗結論
參考文獻
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