【技术贴】基于EXCITE 软件风机系统动力学仿真

当前，化石燃料成本的提高和国际上对气候变化的关注,促使许多国家的政府通过政策和加强监管力度,积极设法增加可再生能源在总电力供应的百分比份额。近几年，国内风电行业快速发展，使得与之相关的风电装备制造业呈现出蓬勃发展的前景。在风能产业快速的增长的同时, 变速箱作为风力发电机组技术含量最高且最昂贵部件之一，其表现出比预期高的故障率一直困扰着风电产业的发展，如何降低其生产制造成本也一直是各大风电主机厂与部件厂所关注的问题。

考虑到风机极高的样机制作成本， CAE仿真在开发过程中以其独特的优势也越来越多受到各主机厂的重视。仿真除了可以大幅降低成本以外，还可在风机设计时进行更多变参设计以寻找最优设计方案，同时完善的计算模型也可确保结果的准确性以及实际情况的高度还原，大大缩短每个设计周期的时间。

滑动轴承的引入可以极大降低齿轮箱的成本、增加齿轮箱寿命，减少维护频次。但滑动轴承的设计也为风机齿轮箱企业带来了挑战，不佳的设计可能适得其反，增加失效风险。

AVL EXCITE软件作为一款专业的多体动力学分析软件，基于其柔性多体模型与非线性接触模型，可以详细考虑齿轮柔性变形与宏观及微观齿轮参数以及滑动轴承弹性液力润滑接触，用于风机齿轮啮合分析、滑动轴承润滑分析、整机NVH分析以及可靠性分析等。国内外诸多风机企业也已将该分析任务集成到其产品开发与设计中。

▲ 图1：EXCITE 风机动力学模型

EXCITE软件风机模型建模特点

EXCITE风机总成模型可详细考虑风机各个子系统的相互影响，可基于其真实的载荷边界对其进行准确的多体动力学计算。EXCITE风机模型建模特点如下：

所有结构体均可采用三维全柔性体缩减模型。考虑零部件动态变形对于齿轮啮合、轴承受力等影响。

可准确考虑齿轮啮合影响：考虑齿轮宏观与微观修形参数对于齿轮啮合影响。

详细的电机模型：基于电磁场分析结果，可建立详细的电机物理模型，实现电机不同转速，不同扭矩的控制，同时NVH计算过程中也可考虑电机电磁激励的影响。

基于真实的载荷边界：动力学模型可基于测试或仿真的载荷边界，用以驱动整个模型。

EXCITE软件风机模型应用方向

由上可知，EXCITE软件基于液力润滑理论，可对滑动轴承润滑进行相应的仿真。一方面，模型中可以考虑轴承表面微观粗糙度因素，另一方面，模型也可以考虑轴承表面加工几何形貌的作用以及不同供油边界的影响，如图7中，该模型中定义行星齿轮轴向鼓型形貌，可以一定程度减小轴承偏载。对于不同形式的供油边界，软件中也可以如图8所示进行相应的设置。

图9对应某三行星轮轴承EHD分析结果，通过轴承接触总压以及粗糙接触压力很直观可以看出，当前轴承左右两边偏载较为严重，轴承左右边缘位置出现局部热载集中现象，可能存在轴承局部过热导致烧瓦。

基于EHD接触压力分布结果，结合Archard磨损分析模型，亦可计算轴承表面磨损分布。如图10所示，由于轴承边缘偏载较为严重，对应轴承边缘出现比较明显的磨损。通过对轴的形线进行优化后，可以看出优化后的粗糙接触压力以及磨损量均明显降低。

轴承表面接触总压亦可用于有限元分析计算边界，通过在行星轴上映射轴承压力载荷，可分析轴承两端过盈配合接触面滑移，考虑行星架与行星销松脱，考虑非线性的真实行星架变形等等。

通过定义详细齿轮宏观与微观修形数据，结合动力学计算结果，同时考虑轴、齿轮、壳体柔性变形的影响，可以准确计算齿轮表面啮合情况。

图13为齿轮啮合过程中齿面啮合压力分布图，结合啮合压力分布图及软件所计算的齿面载荷分布系数，可用于指导后期齿面修形设计。结合系统模型，可准确计算齿轮系统功率损失以及传递误差。

结合整机总成模型，考虑风机工作过程中风力的影响，在风扇加速过程中，可计算各部件转速变化以及受载变化，同时也可考虑系统各部件的瞬时冲击。图16为某风机在稳定叶扇加速过程中伺服电机转速以及扭矩载荷变化情况。整个启动过程中各部件转速存在较大的波动，同时发电机转子在转速稳定瞬间存在一个较为明显的转速冲击。

对于非稳态工况，如极端阵风或风力暂停等运行工况，综合系统弯扭耦合作用以及电机单元控制，可计算各部转速扭矩变化情况，用以评估系统可靠性。

基于整机动力学模型，可计算各部连接副对应的受力，继而结合缩减子结构恢复矩阵，可得到整个机体振动噪声情况，图18 为壳体表面振动速度云图，从图中即可直观的看到壳体表面不同位置处的振动情况。

图19为伺服电机壳体表面的振动加速度曲线与云图，一方面该值可直接与壳体表面振动加速度测试结果进行相应的对比，另一方面也可指导壳体对应的设计。从图中可看出当前伺服电机在某些频率段存在明显的共振。后期需对其进行相应的设计优化。

结合动力学分析结果，可计算各部件不同时刻的受力情况，基于有限元线性载荷计算或模态应力恢复计算方法，可快速计算风机系统中各个部件在不同时刻的应力分布情况。

总结

基于EXCITE软件平台，可构建完整详细风机系统动力学模型，可对于风机模型中滑动轴承润滑以及摩擦磨损进行准确的计算，同时对于齿轮啮合、轴系扭振计算、NVH特性以及可靠性进行相应的仿真。

希望以上信息对广大有风机总成设计和分析需求的用户有所帮助，如有任何问题，也欢迎发送邮件至我们的技术支持邮箱Mechanical_support_china@avl.com进行咨询。