具有自動控制功能的風機葉片疲勞加載基座設計

成昌振，袁光明

（1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255091；2.魯中職業學院 建筑工程系，山東 濱州 256200）

目前，風能已經成為世界上增長最快的新能源，隨著風電機組單機容量的不斷增大，葉片的尺度也在相應增加。風機葉片，作為風力發電機組的關鍵部件之一，其制造成本占總成本的20%～30%[1~4]。玻璃鋼復合纖維由于其具有密度小、強度大的特點，其密度只有鋼材的1/6～1/4，而強度卻為鋼的3～4 倍，因此被廣泛應用于風機葉片的制造上。

隨著葉片尺寸的增加，不僅帶來制造成本的提高，其結構強度和疲勞損傷，也逐漸凸顯出來。一旦葉片發生損壞，會讓制造商和投資商蒙受巨大損失。因此，對葉片品質進行檢測，越來越受到重視。

本課題研究目的，就是設計合理、高效、創新的風機葉片疲勞加載試驗基座，取代葉片根部傳統的機械式固定方式，提高系統自動化程度，縮短試驗周期，降低試驗成本。

1 疲勞加載基座總體設計

在分析各種加載方案利弊的基礎上，筆者設計一套具有自動控制功能的疲勞加載試驗基座。其總體方案采用回轉支承實現轉動，液壓缸帶動楔塊插入實現轉動后鎖緊。筆者并設計了合理的基座機械結構，建立了疲勞加載試驗臺的三維模型，使用了有限元軟件對基座的重要部件進行強度校核。

圖1 疲勞加載基座總體方案圖

裝配關系為：法蘭1 左端用螺栓固定于疲勞基座上，法蘭1 右端連接回轉支承外圈，回轉支承內圈與法蘭3 用螺栓固定。法蘭2 左端與基座采用兩排螺栓固定，法蘭2 外表面焊有凸臺并開有楔形孔，用于安裝液壓缸和插入楔塊。最后，將葉片通過根部高強螺栓安裝在法蘭3 上。回轉支承內齒圈與小齒輪嚙合，液壓馬達則為小齒輪提供動力。

2 疲勞加載基座工作原理

整個疲勞加載基座的內部關鍵結構，其工作原理為：試驗前將所有零部件按照裝配關系裝配完畢，液壓缸活塞帶動楔塊，插入法蘭上的楔形孔，將法蘭與法蘭壓緊，實現固定；當靜力加載完成翼弦向試驗，需要轉動葉片進行翼面向試驗時，液壓缸帶動楔塊拔出，液壓馬達驅動小齒輪與軸承內齒圈嚙合轉動，葉片根部通過法蘭與軸承內圈相連，因而葉片旋轉，當葉片旋轉90°后，馬達停止轉動，液壓缸活塞將楔塊插入楔孔，再次將法蘭壓緊，使葉片周向保持固定。

圖2 傳動結構三維建模

根據以上分析可知，其關鍵結構由三部分組成，以下分別對其進行簡單闡述。限于篇幅，各關鍵部件的受力分析在此省略。

2.1 旋轉結構

對于軸承的選擇，綜合考慮主基座相貫圓尺寸及法蘭1 結構，初選回轉支承013.60.2240 JB/T 2300。在疲勞加載試驗中，試驗載荷由法蘭2 與基座的兩圈螺栓承受；當葉片轉動時，法蘭1 與基座連接螺栓承受葉片自重產生的徑向力和彎矩。

因此，該螺栓組受橫向力和傾覆力矩計算為

2.2 鎖緊結構

鎖緊結構主要由液壓缸和楔塊組成，液壓缸缸筒內徑為100 mm，油壓采用20 MPa，則液壓缸活塞桿可以達到的推力為

根據法蘭3 和法蘭2 結構尺寸，選擇液壓缸行程為100 mm。

風機葉片完成旋轉后，用楔塊將法蘭3 與法蘭1頂緊，消除法蘭3 與法蘭2 之間間隙，從而實現法蘭3周向和軸向固定。

擬采用8個液壓缸- 楔塊裝置，均布于法蘭2圓周，取楔塊角度α=3°，材料為40 Cr。

2.3 動力部件

液壓馬達的輸出轉矩叟T=2.61 kN·m，設大齒輪轉速為0.1 r/min，即葉片10 min 轉1 圈，

則小齒輪轉速為

需選用低轉速大扭矩馬達。

本文選用寧波恒通液壓馬達有限公司的內曲線多作用徑向柱塞式馬達HMB4-800，，伸出軸選用標準外花鍵。

3 關鍵部件有限元分析

根據實際情況分析可知，該法蘭受力情況為楔塊通過法蘭3 傳遞給法蘭1 的壓力，計算得法蘭受到的軸向力為

F=n(FN·cosα-Fa)=8×(2 996-2 906)=720 kN

綜上所述，該法蘭完全滿足風機葉片疲勞加載試驗要求。

4 結束語

本文設計了一套具有自動功能的兆瓦級風機葉片疲勞加載試驗支座。考慮到降低試驗人員勞動強度，在現有的疲勞加載支座之上，設計一套旋轉機構，將其與回轉支承互相配合，實現了葉片任何角度的轉動，提高了試驗的自動化程度，縮短了試驗周期。最后，有限元分析軟件，證明了該裝置具有進行疲勞加載試驗的能力

[1]陳 進，王旭東，沈文忠，等.風力機葉片的形狀優化設計[J].機械工程學報，2010，46（3）：131-134.