LMS帮助Moventas提高测试效率并缩短风机齿轮箱的开发周期

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欢迎访问e展厅 展厅 2 齿轮/蜗轮蜗杆展厅 齿轮, 齿条, 锥齿轮, 齿轮轴, 蜗轮蜗杆,... Moventas公司是世界领先的风力涡轮发电机齿轮箱制造商。随着能源价格的不断攀升，人们对可替代能源的需求急速增长。去年，公司的营业额增长了40%。根据世界风能协会的统计，在过去的十年里，全球新增装机容量增长了10倍，仅去年就增长了25%。该协会预测，目前全球的风力发电机厂的装机容量是740亿瓦，到2010年将增长两倍多，达到160亿瓦 风能市场的蓬勃发展对风力发电机，特别是大型和超大型风机的需求快速增长。但是，随着风机设计越来越复杂，以及对风机长期承受恶劣天气条件的可靠性要求越来越严格，提高开发速度成为一项棘手的任务。客户预订的每台风力发电机都需要进行大量的试验才能解决这些问题。Moventas公司研发和试验部经理Jari Toikkanen认识到，在过去的五年内，振动噪声试验的数量增长了三倍，但许多项目所限定的开发时间却维持不变。 “风力发电机的供应商们除了将更多的精力投入到开发中，还需进行更多的振动试验，以及在更多的细节上测试风机的性能，”Toikkanen说。“试验的主要目的是提高产品的可靠性，使生产出的风机能够满足那些严格的法规要求，例如美国的AGMA（美国齿轮制造协会）标准和欧洲的ISO标准。” 研究齿轮箱的共振问题 他指出研究振动问题要特别关注风力发电机巨大的齿轮箱，风机齿轮箱通常是行星齿轮和斜齿轮的混合结构，将低速转子的速度提高100倍，驱动发电机发电。另一个值得关注的主要部件是连接齿轮箱和风机框架结构的力臂。Moventas公司制造的3兆瓦风机样机，齿轮箱重达30吨，直径长达2米，高2.5米。其连接的力臂有4米宽，0.5米厚，重达5吨。 工程师进行大量的模态激励试验，以确保风机周围结构的激励频率或者齿轮啮合频率不会引起这些部件的共振，从而避免引起风机框架、叶片、驱动轴和风塔等结构存在潜在的破坏性振动现象。通常，试验的目标是避免力臂80Hz至250Hz的模态频率，以及外壳400Hz至800Hz的模态频率。工程师一旦诊断出在这些频率或者接近这些频率范围时，有引起共振的现象，便会通过改变齿轮箱零部件和力臂的几何结构来改变模态频率——常用的方法是改变部件厚度和外形来优化刚度属性。 Toikkane指出，这个过程是相当复杂的，微风时风机的转速仅每分钟几转，大风时其转速最大可增加十多倍，叶轮片不同速度下的传动频率将激励起齿轮箱的模态和转动臂的振动模态。并且，Moventas公司在其现有资源下，还要做一些扭振试验和研究。 提升试验效率 为了按时完成工作，Moventas公司之前的试验解决方案需要克服一些挑战。在试验台架间移动试验设备以及进行试验设置都是非常困难的，工程师不得不在不同的试验运行上花费大量时间，因为仅有两个通道用于模态分析。并且在得到结果之前，必须对测试数据进行后处理，如果传感器连接不正确，或是需要进行更详细的研究以解决不可预测的问题，之前所做的试验就需要完全从头至尾重做一遍。 Moventas公司采用了LMS Test.Lab软件以及一个8通道LMS SCADAS Mobile数据采集系统，它能够在非常短的时间内完成所有的模态测试及分析，从而使这些问题迎刃而解。系统包括Moventas公司的工程师进行模态分析所需的一套集成的工具包，如试验准备、控制、信号调理、测量、结果分析、数据管理和报告生成，它的尺寸和重量仅相当于便携式笔记本。 “我们能够在试验台架间非常方便地携带试验设备，如有需要，我们的工程师还能够去客户或最终用户现场提供及时的支持以及解决问题的方法。”Toikkanen说。“而且这个系统能够非常方便地生成试验流程，内置的帮助手册和提示将指导我们每个操作步骤，应在哪里输入参数以及如何完成试验过程。如我们过去所习惯的那样，数据模板都是已经填充好的。几何模型显示了齿轮箱上加速度计的位置，这是非常有用的，同时也便于配置。从头至尾，采用LMS Test.Lab进行试验设置非常快捷，因此我们可以在几分钟时间内进行试验，而无需花费数小时。” LMS Test.Lab提升试验效率的另一个功能就是在线监测。“在做试验的同时就能立即查看结果，而无需等待数小时进行数据后处理。”Toikkanen说。“实时的可视化功能，使我们能够验证每个测试点的试验，锤子每敲击一次，就能立即看到结构是如何变形的，这样就能够非常容易地识别出产生不可预测的共振的根本原因。”对于Moventas公司的工程师来说，可视化功能也是非常有用的，以动画显示模态振型，并在同一个界面上显示曲线图，如齿轮箱上的关键位置处的频率响应函数图，显示了振动幅值与频率的关系。这使工程师能够立即看到在不同的频率下齿轮箱壳体是如何弯曲和扭转的，因此他们就能识别出哪个轴承正在传递振动，并确定齿轮网格的关键协频。 试验完成后，报表生成功能使Moventas公司的工程师们能够利用LMS Active Picture活动图功能创建包含生动的试验数据及模态振型的Word或Powerpoint幻灯片文档。“LMS Test.Lab活动图报表生成功能，能让我们快速创建报告以对设计师、客户和管理机构汇报齿轮箱的模态特征。” “鉴于LMS Test.Lab的灵活性、实时监测、可视化和报表功能，它极大地提升了我们的试验能力，”他指出“现在我们仅需几天而不是几周的时间来完成常规试验。由于需要快速转型，我们的团队仅用一个上午的时间就能完成一整套试验，然后再用一个下午的时间来完成试验结果分析和报告文档。” 快速响应的工程服务 除了采用LMS Test.Lab外，公司还与LMS的工程服务部门对那些需要额外计算的项目进行紧密合作，这些项目需要快速计算出响应，以满足关键风力涡轮机制造商的需要。这些项目还需进行耐久性分析计算，这些分析计算的范围和细节是与Moventas公司的首席结构分析专家Petri Lahtinen先生一起协商制定的。 在一个项目中，Moventas公司与一个风力涡轮机制造商需要LMS工程服务部门为其进行关键的疲劳寿命分析，以便验证风力涡轮的设计。此项目具体是要验证风力涡轮机齿轮箱中的两个转轴部件——扭矩臂和行星齿轮轴是否能经受住20年预载荷的寿命。LMS工程师创建了这两个部件的有限元模型，并在每个部件上施加单位载荷，以便确定每个部件的应力时间序列，在LMS Virtual.Lab耐久性模块中用应力时间序列和每个部件完整的载荷时间历程来预测材料的疲劳寿命。并且在项目开始的两周内就提交了计算结果，这样Moventas公司就能够快速验证累计损伤值是否在设计的安全系数内。 在另外一个风力涡轮机制造商的项目中，Moventas公司与LMS公司的工程服务部门密切合作，测试在低速及高速输入情况下齿轮箱的旋转振动。低速时加速度计直接连到旋转轴上，加速度计的信号输入到LMS Test.Lab中进行分析，高速时用激光测量系统获得旋转轴的速度。然后用一系列运行响应的彩色图谱精确地识别出两个轴的旋转振动和共振。风力涡轮制造商在不到一周的时间内将动力传动系统的重要数据提交给Moventas公司，以便进行动力性能的仿真计算。“与LMS公司的工程服务部门的合作，证明LMS所提供的不仅仅是硬件和软件，”Toikkanen说，“他们在工作中所表现出的广泛的行业专业技术和提供正确数据的快速响应能力使我们在客户心目中留下了良好的印象，这种印象将带来了不可估量的经济价值。”(end)

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