風(fēng)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(xué) 機械工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.淄博職業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引言

風(fēng)電葉片的設(shè)計使用壽命長達20年，葉片多使用玻璃纖維等復(fù)合材料制造，而復(fù)合材料不同于金屬材料，在葉片制造過程中易受外界環(huán)境影響，理論設(shè)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(nèi)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(shè)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(yè)內(nèi)對風(fēng)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(xiàn)象[4,5]。因此，本文搭建了風(fēng)電葉片兩點激振試驗平臺和控制系統(tǒng)，研究耦合效應(yīng)影響下激振器的相位變化規(guī)律和葉片振動特性。

1 試驗系統(tǒng)

風(fēng)電葉片兩點激振疲勞試驗系統(tǒng)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(yīng)位置上安裝有兩臺激振器，每臺激振器激振頻率通過對應(yīng)的變頻器調(diào)節(jié)，當(dāng)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(fēng)電葉片兩點激振疲勞試驗系統(tǒng)

激振器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由電機、減速器、擺臂、夾具和偏心質(zhì)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(zhuǎn)產(chǎn)生激振力。

圖2 激振器結(jié)構(gòu)

2 相位檢測方法

圖3為激振器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和相位。偏心質(zhì)量塊每旋轉(zhuǎn)一周觸發(fā)一次限位開關(guān)，利用限位開關(guān)觸發(fā)產(chǎn)生的高電平信號對當(dāng)前360°旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的脈沖數(shù)進行清零；并且將相位差分成[-180°,0°)和(0°,180°]兩個區(qū)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(zhuǎn)速和相位測量方案

3 試驗設(shè)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(yīng)對疲勞試驗的影響，試驗參數(shù)如表1所示，相關(guān)設(shè)備型號如表2所示。

表1 試驗參數(shù)

表2 相關(guān)設(shè)備型號

4 試驗分析

試驗過程中，設(shè)置兩臺變頻器中控制電機的參數(shù)一致。兩激振器擺臂自然下垂，初始相位差為零，兩激振器設(shè)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(yīng)存在于葉片兩點慣性激振疲勞試驗振動系統(tǒng)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(yīng)的存在使兩激振器互相擾動，進而使激振頻率發(fā)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(xiàn)象說明，葉片兩點激振試驗設(shè)備電氣特性難免存在差異，以及外界自然環(huán)境的變化，均使得耦合效應(yīng)對兩激振器的同步及激振頻率的穩(wěn)定控制產(chǎn)生擾動，嚴重影響兩激振器與葉片達到共振狀態(tài)。

5 結(jié)語

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