李太安+孫彥利+賴如輝+高偉
【摘 要】風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械載荷測試主要是為了驗證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計計算的有效,并確定特殊狀況下整機(jī)承受的載荷大小。據(jù)此,本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械載荷測試及疲勞進(jìn)行了具體分析。
【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;機(jī)械;載荷測試;疲勞分析
目前我國形成了最大規(guī)模的中小型風(fēng)力發(fā)電市場,但是其中很多發(fā)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊,市場銷售產(chǎn)品大部分沒有經(jīng)過測試和認(rèn)證,導(dǎo)致一些劣質(zhì)產(chǎn)品充斥市場。這就需要風(fēng)力發(fā)電企業(yè)必須加強(qiáng)對機(jī)械進(jìn)行檢測,尤其是機(jī)械的載荷,測試的項目主要包括葉片靜載荷測試、電機(jī)主軸彎矩和扭矩動態(tài)測試以及塔架底部的偏航力矩、俯仰彎矩靜態(tài)測試,其中以葉片靜載荷測試為主。
一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械荷載測試
(一)葉片測試原理
進(jìn)行葉片檢測時,需要先測量物理特性。葉片靜力試驗就是對葉片施加載荷,同時在葉片上粘貼應(yīng)變片采集葉片應(yīng)力應(yīng)變信號數(shù)據(jù)。在進(jìn)行測試時,首先建設(shè)一個擁有足夠剛、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的固定基座,試驗過程中,將葉片安裝到試驗臺上。在葉片靜力試驗期間,葉片的加載載荷必須不間斷地測量,同時需要利用分布在葉片上的應(yīng)變片測量葉片結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。采用起重機(jī)、絞盤、葫蘆或其它加載方式,一般采用起重器垂直加載或葫蘆水平加載,條件受到限制,也可以采用沙包等重物模擬施加壓力的方式進(jìn)行。對葉片加載的同時,采用電測法測量應(yīng)變信號。測試方案為距離葉片根部的截面施加靜載荷,加載方法為初級載荷按滿載荷的10%,進(jìn)行分級協(xié)調(diào)加載,試驗載荷通過起吊設(shè)備和安裝在葉片上的加載夾具傳遞到葉片上,其矢量方向通過葉片的剪切中心。
(二)葉片測試
安裝葉根轉(zhuǎn)換器及葉片翻身,將葉片翻轉(zhuǎn)到Flapwise-Max方向,壓力側(cè)朝上,安裝角度為-185°。將葉片安裝到試驗臺,通過兩點起吊的方式,將葉片吊到靜力試驗臺。安裝定位連接螺栓,就是通過72根M36的長螺栓將轉(zhuǎn)換器安裝到試驗臺上。轉(zhuǎn)換器與試驗臺連接,通過液壓扳手將轉(zhuǎn)換器與試驗臺緊密連接。安裝Flapwise-Max時,檢測相關(guān)夾具及保護(hù)鋼絲繩。檢測安裝試驗相關(guān)測試設(shè)備及連接測試導(dǎo)線。葉片調(diào)平,根據(jù)調(diào)平載荷數(shù)據(jù)將葉片調(diào)整到水平狀態(tài)。畫水平零度線并作預(yù)加載60%的加載試驗,葉片調(diào)平后,在位移線上做出標(biāo)記,然后進(jìn)行預(yù)加載60%的試驗。進(jìn)行加載試驗,如果溫度低于20℃時,每降低5 ℃額定載荷需增加1%,由于試驗溫度為5℃,所以試驗時,需要加載到103%,并記錄試驗時的溫度、濕度和葉根水平度,給出加載103%時測試效果圖。Flapwise-Max方向測試結(jié)束,得出測試值及與理論值的偏差。依次進(jìn)行試驗。
(三)電機(jī)主軸彎矩和扭矩動態(tài)測試
電機(jī)主軸彎矩和扭矩動態(tài)測試的原理與葉片靜載荷測試原理基本相似,唯一的區(qū)別是測點布置位置不同,如圖1、圖2所示。
在測試過程中,由于主軸是旋轉(zhuǎn)的,針對主軸應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,采用滑輪或無線連接的方式,如圖3所示。
(四)塔架底部的偏航力矩和俯仰彎矩靜態(tài)測試
塔架底部的偏航力矩和俯仰彎矩靜態(tài)測試原理與葉片靜載荷測試原理相同,應(yīng)變片安裝在塔架內(nèi)壁上,應(yīng)該盡量避免門、法蘭盤、焊縫、平臺的影響。安裝位置如圖4所示。
二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械的疲勞分析
(一)平均應(yīng)力的等效轉(zhuǎn)換
平均應(yīng)力對累計損傷具有較大的影響,所以必須按照等效損傷的原則,將非零平均應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)等效轉(zhuǎn)換為零平均應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)。等效壽命曲線圖是用來描述S-N數(shù)據(jù)的。在曲線圖中,等效壽命曲線和相同的估算壽命之間建立聯(lián)系,作為平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值的函數(shù)。根據(jù)疲勞經(jīng)驗公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,經(jīng)過轉(zhuǎn)換,將二維矩陣壓縮處理成一維矩陣,矩陣元素是關(guān)于應(yīng)力幅值的,就可以進(jìn)行載荷譜的編制過程。
其中,Si為等效零均值應(yīng)力,Sai為第i個應(yīng)力幅值,Smi為第i個應(yīng)力均值,σb為拉伸強(qiáng)度極限。
(二)疲勞載荷譜的編制
表示測量隨機(jī)載荷與出現(xiàn)次數(shù)關(guān)系的表格、圖形和矩陣等稱之為載荷譜。疲勞壽命預(yù)測結(jié)果在很大程度上是由載荷譜的準(zhǔn)確性決定的。風(fēng)機(jī)載荷——時間歷程在經(jīng)過處理后,會得到載荷循環(huán)次數(shù)。根據(jù)風(fēng)速分布情況和風(fēng)機(jī)設(shè)計壽命,便能夠得到各個載荷工況在風(fēng)機(jī)壽命期間的總循環(huán)次數(shù),從而繪制風(fēng)機(jī)疲勞載荷譜。橫坐標(biāo)用來表示載荷循環(huán)次數(shù),縱坐標(biāo)用來表示疲勞載荷大小,就能夠完整地生成疲勞載荷譜。編制風(fēng)機(jī)疲勞載荷譜是設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu),預(yù)測疲勞壽命的基礎(chǔ)。
(三)利用載荷譜進(jìn)行疲勞分析和壽命預(yù)測
計算材料和機(jī)械疲勞載荷譜的方法主要有兩種,即時域法和頻域法。其中時域法通過有效的疲勞載荷時間序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理,得到風(fēng)機(jī)測試機(jī)械在某工況下的疲勞循環(huán)次數(shù),從而得到疲勞載荷譜,完成對疲勞損傷壽命的估計。首先確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)所在風(fēng)場的風(fēng)速分布模型,并預(yù)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)在壽命期間可能出現(xiàn)的各種具體事件的數(shù)量信息。其次從數(shù)據(jù)中提取相關(guān)數(shù)據(jù),對存儲的單位與雨流數(shù)確定最大俘獲周期幅值,將雨流計數(shù)平均分成步長為1m/s風(fēng)速下的單位數(shù)據(jù)包。最后,將數(shù)據(jù)包的計數(shù)乘以相應(yīng)的風(fēng)速分布,計算累積頻率和估算壽命是否滿足設(shè)計要求。
三、結(jié)語
總而言之,經(jīng)過載荷測試后,所獲測試結(jié)果,時間序列曲線,主要包括風(fēng)況,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性,葉片、風(fēng)輪、塔架的載荷,葉片的擺振彎矩及軸扭矩隨方位角的變化,風(fēng)速測量統(tǒng)計,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計,疲勞載荷統(tǒng)計。
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