風電葉片疲勞試驗兩點激振耦合特性分析*

孔令科，袁光明，李金亮，張磊安

(1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049；2.淄博職業學院 機電工程學院，山東 淄博 255049)

0 引言

風電葉片的設計使用壽命長達20年，葉片多使用玻璃纖維等復合材料制造，而復合材料不同于金屬材料，在葉片制造過程中易受外界環境影響，理論設計的疲勞性能與實際的疲勞性能會存在一定的差異，因此，疲勞試驗是檢驗葉片壽命和性能最有效的方法[1,2]。

目前，國內葉片疲勞試驗普遍使用單點激振多點配重的方法，此方法存在只能確保部分葉片截面的試驗載荷與設計載荷相近的問題，且伴隨著葉片長度的增加該問題會更加突出[3]。考慮到行業內對風電葉片兩點激振疲勞試驗方法的需求日益迫切，而基于葉片連接的兩激振器振動是一個非線性強耦合的過程，使兩激振器的相位具有趨于零值或某個值附近的現象[4,5]。因此，本文搭建了風電葉片兩點激振試驗平臺和控制系統，研究耦合效應影響下激振器的相位變化規律和葉片振動特性。

1 試驗系統

風電葉片兩點激振疲勞試驗系統如圖1所示，葉片通過高強度螺栓固定在基座上，在葉片相應位置上安裝有兩臺激振器，每臺激振器激振頻率通過對應的變頻器調節，當激振頻率接近葉片固有頻率時，葉片在激振器安裝方向振動，通過激光測距儀測量葉片振幅的變化。

圖1 風電葉片兩點激振疲勞試驗系統

激振器的結構如圖2所示，它主要由電機、減速器、擺臂、夾具和偏心質量塊組成。激振器通過夾具安裝在葉片上，激振器的動力源為異步電機，通過控制擺臂旋轉產生激振力。

圖2 激振器結構

2 相位檢測方法

圖3為激振器轉速和相位測量方案，利用磁柵傳感器采集高速脈沖信號用于計算激振器擺臂的轉速和相位。偏心質量塊每旋轉一周觸發一次限位開關，利用限位開關觸發產生的高電平信號對當前360°旋轉周期內的脈沖數進行清零；并且將相位差分成[-180°,0°)和(0°,180°]兩個區間分別表示激振器1相位滯后激振器2相位和激振器1相位超前激振器2相位。

圖3 激振器轉速和相位測量方案

3 試驗設備

以68 m長的某型號葉片試驗分析兩點激振過程中耦合效應對疲勞試驗的影響，試驗參數如表1所示，相關設備型號如表2所示。

表1 試驗參數

表2 相關設備型號

4 試驗分析

試驗過程中，設置兩臺變頻器中控制電機的參數一致。兩激振器擺臂自然下垂，初始相位差為零，兩激振器設定相同的激振頻率且同時啟動。得到的兩激振器的相位差曲線如圖4所示，葉片振幅曲線如圖5所示。

由圖4可知：耦合效應存在于葉片兩點慣性激振疲勞試驗振動系統中，可使兩激振器的相位差維持在零值附近，但存在較大的誤差值，且耦合效應的存在使兩激振器互相擾動，進而使激振頻率發生波動。

圖4 兩激振器的相位差曲線

由圖5可知：此時葉片振幅紊亂，不滿足葉片疲勞試驗的等幅振動要求。

圖5 葉片振幅曲線

以上試驗現象說明，葉片兩點激振試驗設備電氣特性難免存在差異，以及外界自然環境的變化，均使得耦合效應對兩激振器的同步及激振頻率的穩定控制產生擾動，嚴重影響兩激振器與葉片達到共振狀態。

5 結語

為應對大規格風電葉片疲勞試驗的發展需求，兩點激振疲勞試驗方法開發應用日益迫切。通過試驗驗證耦合效應的存在并分析其對兩激振器相位的影響規律，是控制同步方案制定的重要前提。本文開發的控制系統也為葉片兩點激振疲勞試驗的應用提供了良好的基礎。