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风电回转支承试验台驱动器:液压系统文献综述

 2020-05-28 11:05  

回转支承又叫转盘轴承,有些人也称其为:旋转支承、回旋支承。回转支承在现实工业中应用很广泛,被人们称为:”机器的关节”,是两物体之间需作相对回转运动,又需同时承受轴向力、径向力、倾翻力矩的机械所必需的重要传动原件。

风电回转支承用环锻件材料常规采用42CrMo 钢,产品存在整体硬度分布范围较窄、低温冲击要求较高、组织性能不均衡和不稳定等缺点,长期以来多依赖于国外进口。同时,国内在环形锻件生产及材料运用上多采用普通CrMo系合金钢自由锻造方式,该工艺规范性差,不能保证其组织均匀性。国外风电回转支承一般选用强度级别为750-900MPa的CrMo系合金钢[8]。

风电转盘轴承除了受较大的倾覆力矩外 , 由于空气动力和叶轮转动还承受非常复杂的疲劳载荷 , 再加上高可靠性和寿命的要求 ,使得风电转盘轴承在选型和设计时更应注意转盘轴承的动态承载能力, 主要是滚道的抗疲劳寿命 。按照风电回转支承工作装置和各个机构的传动要求,把各种液压元件用管路有机地连接起来就组成一个液压系统。它是以油液为工作介质、利用液压泵将发动机的机械能转变为液压能并进行传送,然后通过液压缸和液压马达等执行元件将液压能转变为电能。

液压型风力发电机组的主传动系统完全摒弃了机械传动用的齿轮箱、永磁发电机和整流逆变器,它采用定量泵-变量马达静液压传动来替代传统的增速齿轮箱,采用励磁同步发电机来代替双馈异步发电机或永磁同步发电机。其工作方式主要采用定量泵-变量马达容易调速原理来实现转速控制,能量的流动是将风能转化为液压能在转化为电能的过程。由于在传动系统中控制变量马达的斜盘来实现流量控制进而控制了系统传递的转速,所以可以直接将励磁同步发电机接入主传动系统,实现并网发电。

目前,世界上很多公司、研究机构和大学在致力于液压型风力发电机的研究和开发。2007 年,挪威的 Chap Drive 公司最先研发出 900k W 液压传动式风力发电机组[9],目前该公司正在研制具有更高效率的 5MW 液压传动式风力机设备。2009 年,苏格兰 Artemis Intelligent Power 公司在英国碳基金会的支持下,成功完成了 1.5MW

液压型风力发电机组模型,获得了碳基金会创新奖。2010 年,德国亚琛大学在实验室搭建液压传动风力发电机组实验平台,完成理论仿真分析以及实验台数据分析对比[10]。2012 年,燕山大学孔祥东教授对液压型风力发电机组主传动系统恒转速输出和功率控制做了理论与实验研究[11]。

在液压回转机构驱动方面,液压马达作为执行元件有很广泛的应用,但在风力发电机组变桨距控制上还没有应用,主要因为液压马达低速特性不稳定,存在低速爬行问题,影响阀控液压马达位置伺服系统的控制精度。但随着液压元件制造工艺水平的提高,低速大扭矩液压马达发展很快,目前低速大扭矩液压马达的低速特性已有了很大的改善,特别是摆线液压马达的最低稳定转度已经低于 1r/min,这就为液压马达作为执行元件来驱动风力机变桨距机构奠定了基础。

轴向柱塞马达是液压系统中重要的动力元件和执行元件,广泛地应用在工业液压和行走液压领域,是现代液压元件中使用最广的液压元件之一。此外,由于轴向柱塞马达结构复杂,对制造工艺、材料的要求非常高,因此它又是技术含量很高的液压元件之一[12]。按照配流方式来分,轴向柱塞马达可以分为阀配流式和端面配流式,但是阀配流由于靠单向阀来实现配流,无级变量困难、自吸能力差、不可逆,因此应用越来越少。就端面配流而言,可分为斜盘式和斜轴式。由于斜轴马达的倾角比斜盘马达的要大,可达到左右,因此作为液压马达启动效果好、输出扭矩大。

目前,对轴向柱塞液压马达的研究主要集中在摩擦副的改进和优化,降低噪声和震动,变排量控制技术的革新以及新材料和新工艺的应用等方面[13]。

液压阀块是液压系统无管化连接方式的一种常用方法 ,又称插装阀。液压阀块在液压系统中的重要性已越来越被人们所认识 ,其应用范围也越来越广泛。液压阀块的使用不仅能简化液压系统的设计和安装 ,而且便于实现液压系统的集成化和标准化 ,有利于降低制造成本 ,提高精度和可靠性 。然而,随着液压系统复杂程度的提高 ,也增加了液压阀块设计的难度, 若设计考虑不周, 就会造成制造工艺复杂 、 加工成本提高 、原材料浪费 、 使用维护烦琐等一系列问题[14]。液压阀有手动控制、机械控制、液压控制或电气控制等多种类型,根据系统的操纵需要和电气系统的配置能力进行选择。如小型的和不常用的系统,工作压力的调整,可直接靠人工调节溢流阀进行;如果溢流阀的安装位置离操作位置较远,直接调节不方便,则可加装远程调压阀,以进行远距离控制;如果液压泵启闭频繁,则可选择电磁溢流阀,以便采用电气控制,还可选择初始或中间位置能使液压泵卸荷的换向阀,以获得同样的要求。在许多场合,采用电磁换向阀,容易与电气系统组合,以提高系统的自动化程度。而某些场合,为简化电气控制系统,并使操作简便,则宜选用手动换向阀等。

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