大功率负载试验设备

刘宇鹏

摘要 面对日益严重的环境污染，和机械行业的竞争压力，工厂想要在逆境中激流勇进，必须适应环境，降低成本。大功率负载试验设备能耗尤为突出，应用低能耗交流变频回馈技术的大功率负载设备的试验模式，必将成为企业在未来发展的关键。

【关键词】大功率负载试验 试验设备 低能耗交流变频回馈

风力发电齿轮箱是风力发电机组的关键部件，由于机组安装在极端环境下，所处地理位置大部分都在山上或边远地区，装机后一旦出现故障，哪怕是极为小的故障，都会造成极大的损失，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。因此，齿轮箱维修后必须做120%的负载试验，检验齿轮箱的可靠性。确保齿轮箱满足设计要求，降低使用风险。

为检验齿轮箱各机件的装配和调整的质量，连接紧固件的可靠程度，各润滑区域的的润滑状态和密封情况，传动系统的工作状况，并对齿轮箱进行初步磨合，同时在负载情况下，对齿轮箱的各传动副进行良好的磨合，避免不正常的磨损和破坏，验证齿轮箱能否满足设计要求和标准，确保齿轮箱在实际使用时能满足客户的要求。

工厂将以“市场主导、创新驱动”为准绳，充分利用军工企业优势和军品大修的宝贵经验，建成风电齿轮箱试验基地。实现齿轮箱的维修制造和试验能力。通过对军品试验技术深度开发，研发设计交流变频回馈式多功能民品综合试验设备，实现了低能耗齿轮箱工况模拟，降低了试验成本。

1 试验设备的要求

风电齿轮箱综合试验台要求能对齿轮箱进行综合性能试验。要求达到以下试验目标：

（1）对齿轮箱进行空载试验，初步检查箱体的密封性和润滑情况，对啮合齿轮磨合运行，通过磨合使齿轮箱处于良好的运行状况;

（2）实时检测润滑油路的清洁度，保证负载试验时齿轮箱的润滑;

（3）加载试验：保证对齿轮箱以25%、50%、100%、120%的负载进行逐步加载试验、并记录箱体的各齿轮轴的振动指标、油温以及输入转速和加载扭距;再由专用分析软件对采集的数据进行分析整理。

2 试验设备的结构

试验设备主要由机械传动部分、电控部分、液压润滑部分组成。

2.1 机械传动部分

传动部分作为试验台的主要部件，由动力系统、被试产品、负载系统组成。

动力系统采用一台电机为驱动电机，主要为试验台提供动力输出。动力由电机输出后，经过联轴器、扭距转速传感器、轴承座后，通过万向节输入陪试箱输入端，由陪试箱降速后为被试产品提供试验转速和扭矩;

另一台电机作为负载电机，为试验齿轮箱提供与输入动力方向相反的载荷。实现逐步加载的目的。并安装扭矩转速传感器测量载荷的数值。

其中，万向联轴器可保证将动力系统和负载系统产生的振动隔离，避免影响产品的试验结果，提高试验准确度。

2.2 电控部分

由两组试验电源分别驱动两台电机，试验电源采用静止变频电源，两组试验电源共用整流单元，发电机发出的电能经过试验电源反向整流为直流电后供电动机试验电源的逆变单元使用，电网只需补充试验设备的损耗。降低试验设备试验时的电能消耗。

扭矩转速测量单元：采用TQ-665法兰式扭矩传感器测量。这种传感器采用极其紧凑连接型式，能够便捷的安装于传动系统中，并内置了转速测量单元。

2.3 液压润滑部分

液压润滑单元：采用模块化的润滑循环系统，对测试产品进行独立润滑。通过润滑循环系统可以快速将润滑油进行循环冷却。避免集中供油时润滑油加热时间长、压力损失大等缺点。

3 试验设备的加载方式

负载试验设备中常用的加载方式主要有：水力加载、电涡流加载、磁力制动、交直流加载等。

水力加载是将原动机输出的机械动能通过作功，转换为水的势能，消耗机械能，起到加载目的。前期投入少，使用方便，缺点是控制灵敏度低，不能实现负载瞬态控制，能量损耗大，试验成本高;

电涡流加载是电磁应用初期的加载方式，通过磁场进行加载。试验时通过调节磁力的大小，控制加载载荷，利用磁力作功消耗原动机的能量实现加载目的;

磁力制动以磁粉为工作介质，调节激磁电流，改变磁粉的状态，达到控制制动或加载的目的。磁力制动设备输出的转矩与激磁电流成线性关系变化，与转速或滑差无关;

直流加载是将直流发电机发出的直流电经逆变系统转化为交流电，并通过直流调速设备调节电机的电流来实现加载，控制原动机的旋转速度和扭矩大小;

交流加载技术是在上世纪末逐步发展起来的新的加载方式。工作原理是将交流发电机发出的交流电经变频整流为直流电，然后通过逆变器转化为交流电反馈至电网。交流变频调速加载设备通过调节发电机的电流来控制驱动设备的转速和扭矩。

综上所述，水力加载、电涡流加载、磁力制动的设备价格相对便宜，但是这些加载装置所使用能量不可以重新利用，使用成本太高。

直流式加载可以方便的控制转速，但由于直流发电机换向器的影响，不适用于过高转速运行，因此在旋转速度过高的情况下，需要使用机械方式降速，最后导致设备体积过大，系统复杂且制造费用高。交流加载使用交流发电机，不仅具有直流加载的优点，而且不存在使用换向器的问题，因而结构简单，无需保养，制造成本降低且性能稳定可靠。

随着科技的發展，动力设备对传动装置性能要求的提高，对其试验设备性能的要求也在逐步提高，水力加载和电力加载等落后的加载试验技术正逐步淘汰。根据齿轮箱的试验大纲的要求，综合考虑各种加载方式的优缺点，本试验台优先选用交流变频返馈式加载方式。

我厂设计的风力发电齿轮箱负载试验台采用共直流母线结构，由原动机带动陪试箱旋转驱动试验箱，通过负载电机加载。负载发电机发出电能通过滤波回路滤波后，前端单元将滤波后的交流电转换为母线上的直流电，由逆变单元控制完成电能的回馈使用。因此本试验设备采用这种试验方式，形成电能封闭加载，能量使用率很高，节能效果明显。

4 总结

工厂经过大量市场调研，结合自身设备、人力资源等各方面能力开发，它与工厂军品箱体试验，技术同源、工艺相近、结构相似，具备军民融合项目典型的特征。同时建设此项目，有利于扩大企业规模，优化产品结构，使军民两用技术得到更大的发挥。

经过实践使用、成本分析后，比原先加载系统电能消耗节省70%，降低的试验成本，提高工厂在齿轮箱维修行业的竞争力。

参考文献

[1]李方园，通用变频器共用直流母线方案的设计与应用[J].电工技术杂志，2004.