張磊安，王忠賓，劉衛(wèi)生，黃雪梅

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116；2.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255049； 3.連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司，云港 222000）

0 引言

風(fēng)電正成為新能源領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一，為了俘獲更多的能量，風(fēng)電葉片的尺寸越來(lái)越大。目前對(duì)葉片施加測(cè)試載荷基于兩個(gè)原因：一是為了驗(yàn)證葉片的時(shí)效行為，對(duì)其進(jìn)行全尺寸的破壞試驗(yàn)。例如，Jorgensen等人[1]對(duì)一支25m的風(fēng)電葉片進(jìn)行了破壞試驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)了大變形的幾何非線性。Jensenet al.[2～5]對(duì)34米的葉片及其負(fù)載箱形梁在揮舞方向上進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)Brazier效應(yīng)可以誘發(fā)在翼梁帽上的大變形以及進(jìn)一步的分層屈曲是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的原因。二是為了獲得葉片出廠認(rèn)證，國(guó)內(nèi)對(duì)其進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)的報(bào)道多是如此，加載方式主要采用起吊機(jī)豎向加載[6]或者卷?yè)P(yáng)機(jī)橫向側(cè)拉方式[7]。起吊機(jī)加載方式存在加載力不能很好協(xié)調(diào)控制，造成測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)等缺點(diǎn)，橫向側(cè)拉方式則主要因?yàn)榭臻g受限，目前主要應(yīng)用于小功率葉片的靜力試驗(yàn)。隨著葉片逐漸向大功率方向發(fā)展，橫向側(cè)拉存在加載能力不足及加載空間不足等缺點(diǎn)逐漸暴露。所以本文研發(fā)了一套10MW風(fēng)電葉片垂直加載控制系統(tǒng)，并將智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和液壓伺服技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)了大功率葉片靜力試驗(yàn)的協(xié)調(diào)、平穩(wěn)加載。

1 靜力垂直加載方案

垂直加載方案如圖1所示，葉片通過(guò)若干個(gè)高強(qiáng)度螺栓固定在加載基座上，一套液壓加載系統(tǒng)固定在地面上，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)鋼絲繩，從而產(chǎn)生加載力在葉片上。沿葉片展向的多個(gè)位置布置木鞍夾具，在葉片表面和鞍座之間安裝有約200mm寬、15mm厚的橡膠墊，主要用來(lái)降低加載位置的應(yīng)力集中。鋼絲繩通過(guò)動(dòng)滑輪聯(lián)接葉片和地面的定滑輪，一個(gè)輪轂式拉力傳感器串聯(lián)在鋼絲繩上，實(shí)時(shí)測(cè)量加載力的數(shù)值，葉片的撓度通過(guò)激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)。靜力試驗(yàn)過(guò)程中加載力很大，葉片尖部變形較大，所以基座安裝斜面有個(gè)12度的預(yù)斜傾角。

圖1 風(fēng)電葉片靜力垂直加載方案

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制方案

垂直加載控制系統(tǒng)如圖2所示，整個(gè)控制系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)，該方式保證了數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性。主控制器與監(jiān)控界面通過(guò)RS485總線進(jìn)行通信，主控制器與從控制器通過(guò)CAN總線進(jìn)行雙向通信。拉力傳感器將拉力值轉(zhuǎn)成4mA～20mA模擬量信號(hào)，同時(shí)傳遞給從控制器，從控制器則通過(guò)Modbus-RTU協(xié)議調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速。

圖2 控制系統(tǒng)分析

2.2 控制算法

控制系統(tǒng)采用PID控制算法來(lái)保證多個(gè)節(jié)點(diǎn)的加載力均勻變化，其控制規(guī)律[8]為：

式中：u(t)為控制量；e(t)為加載力偏差值；kp,ki,kd分別為比例、積分和微分系數(shù)；r(t)為加載力的設(shè)定值；y(t)為加載力的反饋值。

在液壓伺服系統(tǒng)中，采用容積調(diào)速模式，即通過(guò)控制變量泵的排量來(lái)調(diào)整加載速度，從而改變加載力變化。

3 試驗(yàn)

3.1 靜力垂直加載試驗(yàn)

以aeroblade5.0-62風(fēng)電葉片的最大面向（maxflapwise）為加載對(duì)象，沿葉片展向布置5個(gè)夾具，夾具與滑輪之間通過(guò)鋼絲繩連接，加載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 靜力試驗(yàn)加載現(xiàn)場(chǎng)

在葉片的每個(gè)測(cè)試面中，載荷從0%, 40%, 60%, 80%～100%逐級(jí)加載，然后再按80%, 60%, 40%，0% 逐級(jí)卸載。

靜力試驗(yàn)過(guò)程中的部分參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用上述PID控制算法和容積調(diào)速模式進(jìn)行靜力試驗(yàn)?？刂扑惴ú捎肅語(yǔ)言在英飛凌XC886單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)，加載試驗(yàn)的物理參數(shù)與表1完全相同，得到5個(gè)節(jié)點(diǎn)加載力及其誤差的變化分別如圖4和圖5所示。

圖4 加載力變化

圖5 加載力誤差變化

從圖4和圖5的加載力變化曲線可知，5個(gè)節(jié)點(diǎn)的加載力能較好地均勻、協(xié)調(diào)變化。4個(gè)特定階段時(shí)，5個(gè)節(jié)點(diǎn)的加載力也能較好地保持。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，5個(gè)節(jié)點(diǎn)的加載力誤差均小于±3KN，完全滿足大功率風(fēng)電葉片靜力試驗(yàn)的控制要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

靜力加載試驗(yàn)是葉片獲得出廠認(rèn)證的必備條件之一，所以采用何種加載方式至關(guān)重要。針對(duì)傳統(tǒng)起吊機(jī)加載模式的不協(xié)調(diào)性和橫向側(cè)拉方式的空間局限性，本文構(gòu)建了一套風(fēng)電葉片靜力垂直加載控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件采用多級(jí)網(wǎng)絡(luò)互連模式，將PID控制算法和液壓容積調(diào)速模式相結(jié)合，將其成功應(yīng)用于大功率風(fēng)電葉片5節(jié)點(diǎn)的靜力加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的垂直加載控制系統(tǒng)，不僅在空間上能滿足大功率風(fēng)電葉片需要，而且能保證風(fēng)電葉片全尺寸靜力試驗(yàn)中加載力的協(xié)調(diào)性和控制精度，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1] Jorgensen,E.R.;Borum, K.K.;McGugan,M.;Thomsen, C.L.; Jensen, F.M.; Debel, C.P.;Sorensen,B.T.Full Scale Testing of Wind Turbine Blade to Failure—Flapwise Loading; Riso-R-1392 (EN);Riso National Laboratory：Roskilde,Denmark,2004.

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[8] 安梓銘,朱大昌,李雅瓊,等.基于3-RPS型并聯(lián)機(jī)器人模糊PID控制研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014,36(8)：15-18.