文 | 樂韻斐，賈強

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風(fēng)輪葉片電動慣性式疲勞加載系統(tǒng)研究與開發(fā)

文 | 樂韻斐，賈強

風(fēng)能作為一種清潔的永續(xù)能源，在全球范圍內(nèi)受到了廣泛關(guān)注。風(fēng)輪葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，由于風(fēng)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(jié)果往往和實際有較大差距，因此風(fēng)電機組葉片疲勞試驗是檢驗其質(zhì)量和壽命的關(guān)鍵一環(huán)，是對葉片進行壽命評估認證的重要方法。疲勞試驗根據(jù)加載方式的不同，分為強制位移型、共振型和混合型；根據(jù)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(jù)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(tǒng)是一種全新的共振型加載方案，激振器采用模塊化設(shè)計，可同時應(yīng)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(qū)動形式

一、基本原理

電動慣性式疲勞加載系統(tǒng)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(xiàn)揮舞方向加載；只安裝模塊C和D，可實現(xiàn)擺振方向加載；4個激振器模塊同時安裝，可實現(xiàn)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(tǒng)的工作原理為：激振器帶動質(zhì)量塊作簡諧運動，其產(chǎn)生激振力驅(qū)動葉片振動；通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)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(tài)。

二、驅(qū)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(fù)慣性式。相比于擺錘式加載，往復(fù)慣性式加載有如下優(yōu)勢：

（一）質(zhì)量往復(fù)運動產(chǎn)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(chǎn)生縱向力和局部彎矩，改善加載效果，且往復(fù)慣性式加載質(zhì)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(yīng)保持不變，往復(fù)慣性式加載此時仍可在不停止加載的情況下通過改變質(zhì)量塊振幅來調(diào)整激振力大小，而擺錘式加載若需調(diào)整激振力大小只能中斷加載過程，增減質(zhì)量塊。

（三）擺錘式加載只適用于垂直方向的加載，往復(fù)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(fù)合疲勞加載試驗，更符合葉片使用工況，縮短試驗周期。

往復(fù)慣性式加載的驅(qū)動形式可為直線電機、液壓伺服系統(tǒng)及伺服電動缸。目前市面上的直線電機可達的持續(xù)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(tǒng)加載，伺服電動缸加載的優(yōu)勢如下：

（一）液壓伺服系統(tǒng)組成復(fù)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(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，磨損小。

（二）根據(jù)液壓伺服系統(tǒng)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(qū)動滾珠絲杠，傳動效率高。

（三）液壓伺服系統(tǒng)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(huán)境適應(yīng)能力更好，且更加經(jīng)濟環(huán)保。

穩(wěn)態(tài)振動能量分析

葉片在振動質(zhì)量塊穩(wěn)態(tài)運行下的狀態(tài)示意圖如圖2所示，初始狀態(tài)為A，一個周期的循環(huán)為A-B-C-D，虛線所繪為C狀態(tài)下質(zhì)量塊位置。

質(zhì)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(zhì)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(nèi)做的功為：

葉片在一個周期內(nèi)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(jù)能量守恒定律，一個周期內(nèi)激振力做功應(yīng)與葉片阻尼消耗能量相等，即?E=?W，由此可得到往復(fù)質(zhì)量塊等效質(zhì)量為：

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

在質(zhì)量塊質(zhì)量一定的情況下，葉片振幅與質(zhì)量塊振幅成正比例關(guān)系，如圖4所示。

確定動力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

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

對式（4）求兩次導(dǎo)可得到質(zhì)量塊相對于地面的加速度方程，根據(jù)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(nèi)電動缸提供的負載最大值為：

電動缸輸出功率為：

為平衡質(zhì)量塊重力，減小電動缸負載及功率，在裝置中加入彈簧結(jié)構(gòu)。在初始狀態(tài)下彈簧彈力最大，為F0，彈簧的勁度系數(shù)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(shù)如表1所示，以此為例進行電動往復(fù)質(zhì)量慣性式葉片疲勞加載系統(tǒng)參數(shù)計算。

表1 某型葉片參數(shù)

表2 計算結(jié)果

由于該加載系統(tǒng)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(zhì)量塊等效質(zhì)量及電動缸負載和功率時相應(yīng)公式應(yīng)作減半處理。對于上述已知葉片，分別選取質(zhì)量塊振幅S為0.3m、0.4m和0.5m，計算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2中計算結(jié)果，可進行疲勞加載裝置機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、疲勞加載試驗過程中條件的設(shè)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(zhì)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(yīng)提高電動缸使用壽命。

結(jié)論

根據(jù)風(fēng)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(tǒng)。對加載系統(tǒng)進行了穩(wěn)態(tài)振動能量分析，并對動力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進行了計算及匹配。在動力系統(tǒng)中引入彈簧，減小了電動缸的負載及功率。最后以實際風(fēng)輪葉片算例說明計算過程，為疲勞加載裝置機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、疲勞加載試驗過程中條件的設(shè)定以及電動缸的選型提供了依據(jù)。

（作者單位：同濟大學(xué)）