大功率負載試驗設備

劉宇鵬

摘要 面對日益嚴重的環境污染，和機械行業的競爭壓力，工廠想要在逆境中激流勇進，必須適應環境，降低成本。大功率負載試驗設備能耗尤為突出，應用低能耗交流變頻回饋技術的大功率負載設備的試驗模式，必將成為企業在未來發展的關鍵。

【關鍵詞】大功率負載試驗 試驗設備 低能耗交流變頻回饋

風力發電齒輪箱是風力發電機組的關鍵部件，由于機組安裝在極端環境下，所處地理位置大部分都在山上或邊遠地區，裝機后一旦出現故障，哪怕是極為小的故障，都會造成極大的損失，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械高得多的要求。因此，齒輪箱維修后必須做120%的負載試驗，檢驗齒輪箱的可靠性。確保齒輪箱滿足設計要求，降低使用風險。

為檢驗齒輪箱各機件的裝配和調整的質量，連接緊固件的可靠程度，各潤滑區域的的潤滑狀態和密封情況，傳動系統的工作狀況，并對齒輪箱進行初步磨合，同時在負載情況下，對齒輪箱的各傳動副進行良好的磨合，避免不正常的磨損和破壞，驗證齒輪箱能否滿足設計要求和標準，確保齒輪箱在實際使用時能滿足客戶的要求。

工廠將以“市場主導、創新驅動”為準繩，充分利用軍工企業優勢和軍品大修的寶貴經驗，建成風電齒輪箱試驗基地。實現齒輪箱的維修制造和試驗能力。通過對軍品試驗技術深度開發，研發設計交流變頻回饋式多功能民品綜合試驗設備，實現了低能耗齒輪箱工況模擬，降低了試驗成本。

1 試驗設備的要求

風電齒輪箱綜合試驗臺要求能對齒輪箱進行綜合性能試驗。要求達到以下試驗目標：

（1）對齒輪箱進行空載試驗，初步檢查箱體的密封性和潤滑情況，對嚙合齒輪磨合運行，通過磨合使齒輪箱處于良好的運行狀況;

（2）實時檢測潤滑油路的清潔度，保證負載試驗時齒輪箱的潤滑;

（3）加載試驗：保證對齒輪箱以25%、50%、100%、120%的負載進行逐步加載試驗、并記錄箱體的各齒輪軸的振動指標、油溫以及輸入轉速和加載扭距;再由專用分析軟件對采集的數據進行分析整理。

2 試驗設備的結構

試驗設備主要由機械傳動部分、電控部分、液壓潤滑部分組成。

2.1 機械傳動部分

傳動部分作為試驗臺的主要部件，由動力系統、被試產品、負載系統組成。

動力系統采用一臺電機為驅動電機，主要為試驗臺提供動力輸出。動力由電機輸出后，經過聯軸器、扭距轉速傳感器、軸承座后，通過萬向節輸入陪試箱輸入端，由陪試箱降速后為被試產品提供試驗轉速和扭矩;

另一臺電機作為負載電機，為試驗齒輪箱提供與輸入動力方向相反的載荷。實現逐步加載的目的。并安裝扭矩轉速傳感器測量載荷的數值。

其中，萬向聯軸器可保證將動力系統和負載系統產生的振動隔離，避免影響產品的試驗結果，提高試驗準確度。

2.2 電控部分

由兩組試驗電源分別驅動兩臺電機，試驗電源采用靜止變頻電源，兩組試驗電源共用整流單元，發電機發出的電能經過試驗電源反向整流為直流電后供電動機試驗電源的逆變單元使用，電網只需補充試驗設備的損耗。降低試驗設備試驗時的電能消耗。

扭矩轉速測量單元：采用TQ-665法蘭式扭矩傳感器測量。這種傳感器采用極其緊湊連接型式，能夠便捷的安裝于傳動系統中，并內置了轉速測量單元。

2.3 液壓潤滑部分

液壓潤滑單元：采用模塊化的潤滑循環系統，對測試產品進行獨立潤滑。通過潤滑循環系統可以快速將潤滑油進行循環冷卻。避免集中供油時潤滑油加熱時間長、壓力損失大等缺點。

3 試驗設備的加載方式

負載試驗設備中常用的加載方式主要有：水力加載、電渦流加載、磁力制動、交直流加載等。

水力加載是將原動機輸出的機械動能通過作功，轉換為水的勢能，消耗機械能，起到加載目的。前期投入少，使用方便，缺點是控制靈敏度低，不能實現負載瞬態控制，能量損耗大，試驗成本高;

電渦流加載是電磁應用初期的加載方式，通過磁場進行加載。試驗時通過調節磁力的大小，控制加載載荷，利用磁力作功消耗原動機的能量實現加載目的;

磁力制動以磁粉為工作介質，調節激磁電流，改變磁粉的狀態，達到控制制動或加載的目的。磁力制動設備輸出的轉矩與激磁電流成線性關系變化，與轉速或滑差無關;

直流加載是將直流發電機發出的直流電經逆變系統轉化為交流電，并通過直流調速設備調節電機的電流來實現加載，控制原動機的旋轉速度和扭矩大小;

交流加載技術是在上世紀末逐步發展起來的新的加載方式。工作原理是將交流發電機發出的交流電經變頻整流為直流電，然后通過逆變器轉化為交流電反饋至電網。交流變頻調速加載設備通過調節發電機的電流來控制驅動設備的轉速和扭矩。

綜上所述，水力加載、電渦流加載、磁力制動的設備價格相對便宜，但是這些加載裝置所使用能量不可以重新利用，使用成本太高。

直流式加載可以方便的控制轉速，但由于直流發電機換向器的影響，不適用于過高轉速運行，因此在旋轉速度過高的情況下，需要使用機械方式降速，最后導致設備體積過大，系統復雜且制造費用高。交流加載使用交流發電機，不僅具有直流加載的優點，而且不存在使用換向器的問題，因而結構簡單，無需保養，制造成本降低且性能穩定可靠。

隨著科技的發展，動力設備對傳動裝置性能要求的提高，對其試驗設備性能的要求也在逐步提高，水力加載和電力加載等落后的加載試驗技術正逐步淘汰。根據齒輪箱的試驗大綱的要求，綜合考慮各種加載方式的優缺點，本試驗臺優先選用交流變頻返饋式加載方式。

我廠設計的風力發電齒輪箱負載試驗臺采用共直流母線結構，由原動機帶動陪試箱旋轉驅動試驗箱，通過負載電機加載。負載發電機發出電能通過濾波回路濾波后，前端單元將濾波后的交流電轉換為母線上的直流電，由逆變單元控制完成電能的回饋使用。因此本試驗設備采用這種試驗方式，形成電能封閉加載，能量使用率很高，節能效果明顯。

4 總結

工廠經過大量市場調研，結合自身設備、人力資源等各方面能力開發，它與工廠軍品箱體試驗，技術同源、工藝相近、結構相似，具備軍民融合項目典型的特征。同時建設此項目，有利于擴大企業規模，優化產品結構，使軍民兩用技術得到更大的發揮。

經過實踐使用、成本分析后，比原先加載系統電能消耗節省70%，降低的試驗成本，提高工廠在齒輪箱維修行業的競爭力。

參考文獻

[1]李方園，通用變頻器共用直流母線方案的設計與應用[J].電工技術雜志，2004.