風輪葉片電動慣性式疲勞加載系統研究與開發

文 | 樂韻斐，賈強

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風輪葉片電動慣性式疲勞加載系統研究與開發

文 | 樂韻斐，賈強

風能作為一種清潔的永續能源，在全球范圍內受到了廣泛關注。風輪葉片是風力發電系統的重要組成部分，由于風電機組葉片疲勞壽命分析的理論方法尚不成熟，單純依靠理論計算的結果往往和實際有較大差距，因此風電機組葉片疲勞試驗是檢驗其質量和壽命的關鍵一環，是對葉片進行壽命評估認證的重要方法。疲勞試驗根據加載方式的不同，分為強制位移型、共振型和混合型；根據加載方向的不同，分為單軸加載和雙軸加載，單軸加載即單獨對揮舞方向或擺振方向進行加載，雙軸加載即對揮舞方向和擺振方向同時進行加載；根據加載點的不同，又可分為單點加載和多點加載。本文提出的電動慣性式疲勞加載系統是一種全新的共振型加載方案，激振器采用模塊化設計，可同時應用于單軸加載和雙軸加載，亦分別適用于單點加載和多點加載。

基本原理及驅動形式

一、基本原理

電動慣性式疲勞加載系統由夾葉片夾具和激振器模塊組成，如圖1所示。4個激振器模塊完全相同，通過改變激振器模塊的安裝方式，可用于單軸或雙軸加載：只安裝模塊A和B，可實現揮舞方向加載；只安裝模塊C和D，可實現擺振方向加載；4個激振器模塊同時安裝，可實現葉片揮舞方向和擺振方向的雙軸加載。

電動慣性式疲勞加載系統的工作原理為：激振器帶動質量塊作簡諧運動，其產生激振力驅動葉片振動；通過控制系統調節質量塊運動速度，使其同步運動，并使運動頻率接近葉片固有頻率，使葉片達到共振狀態。

二、驅動形式方案比較

目前常見的葉片共振型加載方式主要有擺錘式和往復慣性式。相比于擺錘式加載，往復慣性式加載有如下優勢：

（一）質量往復運動產生的慣性力與葉片加載方向完全一致，因此可避免像離心力加載那樣對葉片產生縱向力和局部彎矩，改善加載效果，且往復慣性式加載質量塊只作直線運動，加載過程更加安全，可免去擺錘防護罩。

（二）加載過程中，葉片達到共振后加載頻率應保持不變，往復慣性式加載此時仍可在不停止加載的情況下通過改變質量塊振幅來調整激振力大小，而擺錘式加載若需調整激振力大小只能中斷加載過程，增減質量塊。

（三）擺錘式加載只適用于垂直方向的加載，往復慣性式加載可適用于垂直方向及水平方向的加載，還可以進一步對葉片同時進行垂直、水平復合疲勞加載試驗，更符合葉片使用工況，縮短試驗周期。

往復慣性式加載的驅動形式可為直線電機、液壓伺服系統及伺服電動缸。目前市面上的直線電機可達的持續功率及負載能力達不到大型葉片的加載要求，且價格昂貴。相比于液壓伺服系統加載，伺服電動缸加載的優勢如下：

（一）液壓伺服系統組成復雜，包括油箱、變量泵、伺服閥及其它閥件、液壓缸等，葉片疲勞加載一般周期為百萬次以上，各組成部分均容易疲勞損壞；伺服電動缸主要組成部分為伺服電機和滾珠絲杠，結構簡單，性能可靠，磨損小。

（二）根據液壓伺服系統特性，其最大有效功率僅為泵送功率的38.5%，另外還有摩擦、泄漏等能量損失，而伺服電動缸由伺服電機直接驅動滾珠絲杠，傳動效率高。

（三）液壓伺服系統對液壓油清潔度要求高，并對油溫變化較敏感，且高精度液壓元件造價較貴；相比之下，伺服電動缸對環境適應能力更好，且更加經濟環保。

穩態振動能量分析

葉片在振動質量塊穩態運行下的狀態示意圖如圖2所示，初始狀態為A，一個周期的循環為A-B-C-D，虛線所繪為C狀態下質量塊位置。

質量塊相對于葉片的位置s(t)、葉片加載點相對于地面的位置A(t)分別為：

其中：S為質量塊運動振幅，A為葉片運動振幅，ω=2πf，f為葉片固有頻率。

激振器提供葉片的激振力為：

激振力在一個周期內做的功為：

葉片在一個周期內的阻尼能耗為：

其中：k為葉片加載點等效剛度，ξ為葉片等效阻尼比，c=2kξ / ω。

根據能量守恒定律，一個周期內激振力做功應與葉片阻尼消耗能量相等，即?E=?W，由此可得到往復質量塊等效質量為：

由式（3）可知，對于某一特定的葉片，當需要達到的振幅A一定時，激振器所需質量塊質量與其振幅為反比關系，如圖3所示。

在質量塊質量一定的情況下，葉片振幅與質量塊振幅成正比例關系，如圖4所示。

確定動力系統關鍵參數

質量塊相對于地面位置x(t)為s(t)與A(t)矢量和，即：

對式（1）求導可得質量塊相對于葉片運動的速度方程v(t)=ωSsinωt，易知質量塊運動過程中最大速度：

對式（4）求兩次導可得到質量塊相對于地面的加速度方程，根據牛頓運動定律可知，揮舞方向加載時，電動缸需提供負載Fs(t)為：

易知一個加載周期內電動缸提供的負載最大值為：

電動缸輸出功率為：

為平衡質量塊重力，減小電動缸負載及功率，在裝置中加入彈簧結構。在初始狀態下彈簧彈力最大，為F0，彈簧的勁度系數為k，則加載過程中，彈簧彈力為：

則加入彈簧后電動缸輸出負載為：

則電動缸最大輸出負載為：

加彈簧后電動缸輸出功率為：

算例

某型葉片電動慣性式疲勞加載試驗裝置如圖5所示，揮舞方向各參數如表1所示，以此為例進行電動往復質量慣性式葉片疲勞加載系統參數計算。

表1 某型葉片參數

表2 計算結果

由于該加載系統采用對稱布置，即每個方向有兩個激振器共同提供激振力，故計算質量塊等效質量及電動缸負載和功率時相應公式應作減半處理。對于上述已知葉片，分別選取質量塊振幅S為0.3m、0.4m和0.5m，計算結果如表2所示。

根據表2中計算結果，可進行疲勞加載裝置機械結構的設計、疲勞加載試驗過程中條件的設定以及電動缸的選型。

在每個激振器上加入兩根剛度為5.1kN/m、最大工作載荷為4.2kN的彈簧，在質量塊振幅S為0.4m的情況下電動缸最大負載從10.5kN減小到7.2kN，減幅為31%。圖6為加彈簧前后電動缸負載對比曲線。

電動缸最大功率從13.1kW減小到9.7kW，減幅為26%。圖7為加彈簧前后電動缸功率對比曲線。

通過上述對比可知，加入彈簧對于減小電動缸的負載和功率起到一定作用，從而可以相應提高電動缸使用壽命。

結論

根據風輪葉片疲勞檢測認證的要求，提出了一種新型的疲勞加載系統。對加載系統進行了穩態振動能量分析，并對動力系統關鍵參數進行了計算及匹配。在動力系統中引入彈簧，減小了電動缸的負載及功率。最后以實際風輪葉片算例說明計算過程，為疲勞加載裝置機械結構的設計、疲勞加載試驗過程中條件的設定以及電動缸的選型提供了依據。

（作者單位：同濟大學）