一．课题研究的背景和意义

1.1课题研究的背景

随着能源危机、环境污染以及生态破坏等问题越来越受到各国的广泛关注,我国也开始不遗余力地发展以风力发电为代表的新能源产业。大型风力发电机用轴承是大型风力发电设备中的重要组成部件,同时,其设计、制造、检测技术也是我国自主研发制造的风力发电设备向大型化、高功率、集群化发展所要攻克的关键技术与难点。因此,加强对大型风电轴承测试技术的研究、积累大型风力发电机用轴承试验台的设计制造经验、建立成熟的大型风电轴承测试理论体系对我国风力发电行业的发展十分重要^[1]。

1.2课题研究的意义

由于风力发电事业正在蓬勃地发展,所以目前风力发电机组的装机总容量以惊人地速度增长。大型的兆瓦机组成为目前风力发电机组中的主流产品，而兆瓦机组几乎全部采用的都是变速恒频技术，所谓的变速恒频技术主要就是通过风力发电机的变流器和变桨距系统来实现的。风力发电机关键技术（变桨距控制技术）和关键部件（变桨距系统）的测试对于风力发电技术的发展毫无疑问将会发挥举足轻重的作用。所以建设风力发电变桨距系统的测试平台就显得极为重要。对于风电的发展具有深远的重要意义 ^[2]。

在各种机械传动系统中，往往由于扭矩异常而出现各种事故，不仅造成设备的损坏，生产中断，引起巨大的经济损失，同时还造成人员伤亡，甚至导致灾难性的事件^[3]。

据有关报道，在军用直升机中，每年有很多是由于尾浆的扭矩异常造成事故发生的。如何改进和发展扭矩测量系统，已经引起了直升机设计师们的关注，并成为直升机技术发展的重要课题之一。在石油和天然气工业中，机器的监测和试运行都要求进行扭矩测量。据悉全国各大油田每年都不同程度的发生卡钻、掉牙轮、断钻具甚至机毁人亡的恶性事故，经济损失惨重。为此采取的众多预防措施中，监测钻井过程中的扭矩变化就是很重要的措施之一。

综上所述，要研究好风电回转轴承试验台驱动器，扭矩测量和分析是必经之路。因为，扭矩是反映机械传动系统性能的最典型的机械量之一。利用合适的扭矩传感器及测量方法，对机械传动系统的扭矩进行实时的监测，对于保障整个传动系统稳定安全的运行具有十分重要的意义。

二.文献综述

国 2.1国内外发展现状

目前,国产风力发电机用轴承的生产与测试正逐步向标准化迈进。为适应风力发电行业的发展和需求,由洛阳轴承有限公司负责制定的风力发电机轴承行业标准一《滚动轴承风力发电机轴承》,通过了全国滚动轴承标准化技术委员会的审查,于2007年3月6日发布,2007年9月1日开始实施。尽管如此,在对大型风电轴承试验台^【4】的设计研究与制造方面,目前只有瓦轴、洛轴、上海联合滚动轴承有限公司等部分企业成功研制出了风电轴承试验机,图1.2、图1.3所示分别为瓦轴以及洛阳新强联回转支承有限公司研制成功的风电轴承试验机。而对大型风电轴承的试验及检测标准方面,目前国内还欠缺较为完备的测试与评价理论体系。但是国内很多轴承生产厂商己经越来越多地将目光投向了风电轴承测试设备。

图1.2 瓦轴研制成功的风电轴承试验台

图1.3 洛阳新强联回转支承有限公司的风电轴承试验台

对于风电轴承试验台的研究,欧洲和美国也走在了世界的前列。很多知名风电轴承生产厂商对大型风电轴承的生产以及测试技术的研究程度已经达到了较高的水平。以SKF公司为例，为了支持对新轴承设计和先进计算工具的验证,仅耗时18个月,就成功地在德国建立了一套轴承测试台,可以对3MW的风机轴承摩擦性能、润滑表现、密封性能和寿命^[5-7]进行测试。如图可以看到大量的液压缸,试验台就是通过使用这些液压缸进行加载,从而实现不同轴承负荷状态的模拟。

图1.4（a）正在对轴承进行测试 图1.4（b）被测轴承的安装

与SKF一样,Temken和FAG等知名风电轴承生产厂商也均拥有自己的风电轴承测试装备。由此可见,拥有先进的试验手段是国外先进轴承企业拥有核心技术的基础。

2.2 回转支承

风力发电机用回转轴承为一种特大型轴承^[8],受载复杂,且拆装维护非常困难。回转支承是风力发电机的核心部件，回转支承（slewing bearing）又叫转盘轴承，有些人也称其为：旋转支承、回旋支承，广泛应用于风力发电机的变桨和偏航系统，变桨轴承用于连接轮毂和叶片，偏航轴承用于连接塔筒和机组，是同时承受轴向力、径向力、倾翻力矩的机械所必需的重要传动原件^【9】。风电回转支承由于其体积庞大和安装位置不易拆装，致使其维修的难度非常大，而且回转支承一旦发生故障，将直接影响风力发电机的工作性能，甚至造成停机。因此要求风电回转支承的使用可靠性高、寿命长，至少要达到风力发电机的使用年限，即20年。根据产品型式试验和疲劳试验的要求，进行风电回转支承的试验台研制。

2.3 轴承试验台

轴承试验台主要对两家轴承试制厂试制的轴承进行性能测试、筛选和寿命对比,以便能公平、公正、合理地鉴别出两家制造厂试制轴承的优劣,为轴承选优提供科学的测试依据和判断依据,也为将来轴承产品改进设计进行可靠性增长试验,同时用于轴承批量生产时质量检测^[10-13]。

2.4驱动器

驱动器^[14-15]（ 有时又称控制器） 是机器的核心部件之一，驱动器将稳定的直流电源变成能够驱动电动机转动的三相交流电源， 通过调节参数来实现电动机转速扭矩等的变化， 调节电动机转动， 再通过动力传动系统驱动机器设备运行。

本课题采用基于液压马达的回转支承驱动器。

2.5试验台总体方案

回转支承试验台分为4个部分：机械本体部分，液压加载系统，测测试系统和数据处理系统等^[16-17]。

（1）机械部分提供装配基础和装夹结构

（2）液压加载系统用于提供驱动和记载力，实现驱动与加载控制功能，液压控制检测系统作为液压加载系统的一部分，用以检测液压控制状态

（3）测试系统用以对实验中的回转支承监测，包括实验规划管理软件传感器及其信号处理后的所有软硬件和数据存储器系统等。

（4）实验数据系统提供信号采集，数据保存，打印，报表生成，后处理（小波，FFT，功率谱，相关分析）

2.6 扭矩转速传感器选择

转矩传感器在电动机、发动机、发电机、风机、搅拌机、卷扬机、钻探机械等众多的旋转动力测试系统中及数控机械加工中心、自动机床等机电一体化设备中已获得广泛的应用。传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测转矩信号,并采用导电滑环来耦合电源输入及应变信号输出,由于导电滑环属于磨擦接触,因此不可避免地存在着磨损和发热,这样不但限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命,同时由于接触不可靠,也不可避免地会引起测量信号的波动及误差的增加。因此,如何在旋转轴上进行能源及信号的可靠耦合已成为转矩传感器最棘手的问题,而JN338数字式转矩转速传感器则巧妙地解决了这个问题^[18-19]。

该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出。从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量。因此，利用该传感器可实现转矩、转速的参数输出^[20]。

所以采用JN338数字式转矩转速传感器。

2.7 信号采集装置

2.7.1 PLC

可编程逻辑控制器(PLC)作为替代传统接触器和继电器的控制装置，广泛应用于工业控制的各个领域，通过软件可编制梯形图程序从而改变控制进程，并且具有组装灵活方便、体积小节省空间、抗干扰能力强、编程简单直观且可靠性强等特点，能胜任长期在恶劣的工业环境中工作。可编程序控制器 PLC 对数据的采集处理可以通过模块化来实现，编程也很简单易行，是较好的选择^[21-23]。在工业自动化控制领域中，可编程控制器作为自动控制中应用最为广泛的控制器，被选择成为大多数自动系统的基础设备。PLC 是通过采用数字运算的方式来执行逻辑操作的电控系统^[24]，并可应用于不同工艺要求的工业控制系统之下。通过可编程逻辑操作^[25]，将各种程序指令应用于内部的不同存储设备，从而完成控制中所要执行的逻辑运算、顺序控制，定时和计数、PID 算法等一些列复杂的逻辑操作，通过模拟继电器电平的改变以及数字式或者模拟式的输入输出，送给所要控制的电机、变频器、测控装置等工业设备。

2.7.2 单片机

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机 。

主要特点：

1、主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。

2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；

3、单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障；

4、处理功能强，速度快。

5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品

6、控制功能强

7、环境适应能力强。

综合考虑各项性能及可行度，决定采用单片机芯片为信号采集装置的核心

参考文献.

【1】弓永军. 风电轴承试验台监测及数据采集系统研究[D]. 大连海事大学:孟悦, 2011. 20-45

【2】 崔新维. 风力发电机变桨距系统测试台的研究与实现 新疆农业大学 :孙棒[D]2010： 15-40

【3】喻洪麟. 基于环形球栅的扭矩测量原理与方法研究[D]. 重庆大学光电工程学院:吴永烽, 2012. 1-40

【4】方成刚，高学海，王华，黄筱调，陈捷. 风电转盘轴承综合性能实验台的研制. 液压与气动. 2009（12）：61-64

【5】孟瑞, 陈捷, 王华, 高学海. 风电转盘轴承加速寿命试验研究[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2013, (12): 84-85

【6】高学海, 王华. 风电机组转盘轴承的加速疲劳寿命试验[J]. 技术 Technology, 2012, (11): 76-88

【7】凡增辉, 李秀珍, 谷小辉, 欧阳华, 朱为亮. 风电偏航轴承寿命计算与承载能力分析[J]. 轴承, 2013, (7): 1-4

【8】朱飞；, 洪荣晶；, 陈捷；, 高学海；, 戴克芳. 基于LabVIEW的回转支承测控系统数据库的访问[[J]. 轴承, 2010, (10): 51-55

【9】方成刚，黄筱调，高学海，王华. 风电转盘轴承的设计与制造. 轴承. 2009，（9）：57-62.

【10】王立权. 大型轴承试验台研制及实验研究[M]. 哈尔滨工业大学:张多利, 2008. 15-20

【11】 T.A.Harris,M.N.Kotzalas,Rolling bearing analysis,fifth ed.[M].Taylor amp; Francis Group,2006.

【12】 R.Kunc,A.Zerovnik,I.Prebil Verification of numerical deter-mination of carrying capacity of large rolling bearings withhardened raceway[J].Internal Journal of Fatigue 29(2007)1913-1919.

【13】}井艳军, 陈雷, 姚兴佳, 王哲, 孙宏利. 风电机组变桨距系统半实物仿真试验平台[J]. 沈阳工业大学学报, 2012, 34(1): 16-21

【14】彭志科. 超磁致伸缩驱动器建模及驱动控制研究[D]. 上海交通大学机械与动力工程学院:赵寅, 2013. 3-26

【15】高媛. 风力发电新型偏航驱动器设计与研究[M]. 大连理工大学:陶磊, 2010. 7-20

【16】张明柱 .风电变桨轴承试验机测控系统研究 河南科技大学：赵海涛[D] 2011：18-42

【17】 Bonus Energy. The Wind Turbine#8212;Components and Operation[R].1999.

【18】孟臣, 李敏. JN338智能数字式转矩转速传感器及其应用[J]. 国外电子元器件, 2003, (11): 56-58

【19】李敏,孟臣.电动机转矩转速的计算机测试系统[J].仪表技术与传感器.2003(1):26- 28

【20】李国林.环形变压器供电的应变式扭矩传感器技术性能及应用[J].仪表技术与传感器.2000(6):44～ 45

【21】郭荣祥. PLC 数据采集模块的设计[D]. 内蒙古科技大学:王 洪 一 , 2013. 1-60

【22】Tarik Ozkul Remote data acquisition module using optic interface for industrial automation and control[C]. IEEE/IAS Conference on Industrial Automation and Control.1995:772-775.

【23】D.R.Zrudsky and J.M.Pichler.Virtual instruments for instaneous

powermeasurements．IEEE TRANS. Iamp;M．1992，l41(4)：2.

【24】荣延平，陈飞，徐达等．基于工控机和 PLC 通信的监测与控制系统[J]．电气时

代．2006,12:120-124

【25】黄梅. 可编程逻辑在微机保护中的应用研究[D]. 北京交通大学:阎波 , 2007. 1-10

三．本课题要研究或解决的问题、拟采用的研究手段以及研究流程：

1. 本课题要研究的问题

（1） 扭矩、转速等传感器选型

（2） 信号采集装置的设计

（3） 对所测得扭矩进行分析

2. 研究手段

查阅资料，选择合适的传感器元件、进行扭矩、转速等传感器选型，以测试与传感器技术、电工电子技术等课程为基础进行信号采集装置设计。

3.研究流程

回转支承是工程机械、风力发电机等需要相对回转运动的大型装备的关键部件，可靠性和寿命要求高。根据产品型式试验和疲劳试验的要求，进行风电回转支承的试验台研制。本课题目标是完成基于液压马达的回转支承驱动器的设计，实现低速大扭矩运转。 以测试与传感器技术、电工电子技术等课程为基础，进行扭矩、转速等传感器选型及信号采集装置设计，具体操作流程如下：

(1) 分析完成各测试项目的系统原理组成框图

(2) 选择测试系统所使用的信号传感器以及信号采集器并校核。

(3) 完成系统硬件连线图

（4） 绘制电路原理图

（5） 数据的测量与分析