黃興

(重慶交通大學(xué)，重慶400074)

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

能源是提高人民生活水平的基本條件，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要條件。經(jīng)濟(jì)社會(huì)在持續(xù)發(fā)展，能源消耗持續(xù)增大，對(duì)環(huán)境的污染也越來(lái)越嚴(yán)重，傳統(tǒng)獲得能源的方式如煤電，火電等已不符合現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展的要求，不可再生能源也日趨殆盡，當(dāng)供求關(guān)系出現(xiàn)傾斜，勢(shì)必需要新的發(fā)電方式來(lái)取代傳統(tǒng)的能源發(fā)電，風(fēng)能發(fā)電逐漸走向大眾視野，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用得到人們廣泛重視，新能源的開(kāi)發(fā)和利用已成為當(dāng)務(wù)之急，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在新能源發(fā)電方式中，將會(huì)起到舉足輕重的作用。

2 葉片連接部位存在疲勞

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是主要以下部分構(gòu)成：即電器系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、儲(chǔ)能設(shè)備、塔架，葉片等組成。是一種把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，動(dòng)能再轉(zhuǎn)化為電能的裝置。作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最為重要的核心部件，葉片的質(zhì)量和疲勞壽命決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的耐久性和安全性，其成本約占整個(gè)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)總成本的20～30%。玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）是大型風(fēng)力機(jī)最普遍使用的符合材料，其以低廉的價(jià)格和良好的性能成為了現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片的主流。葉片與轉(zhuǎn)子輪轂之間連接是通過(guò)變槳軸承和連接螺栓進(jìn)行可靠連接的，由于發(fā)電機(jī)組葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中承受的氣動(dòng)力、重力及離心力等各種荷載，各種交變應(yīng)力都直接作用于連接螺栓上，造成螺栓連接部位常處于疲勞狀態(tài) 為了保證風(fēng)力機(jī)運(yùn)行服役時(shí)不至突然造成螺栓的斷裂，進(jìn)行疲勞壽命分析和預(yù)估是極其必要的，因此葉根連接必須具有良好的疲勞壽命和機(jī)械性能,能承受時(shí)刻變化的隨機(jī)荷載和突發(fā)載荷的沖擊。荷載作用于葉片，通過(guò)葉根傳遞至風(fēng)機(jī)輪轂，葉片葉根在交變荷載作用下產(chǎn)生疲勞破壞。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)表明，在不考慮其他次要因素的條件下，風(fēng)機(jī)的使用壽命很大程度上取決于葉片葉根的疲勞壽命。

為研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片連接部位的疲勞壽命，建立葉片定型認(rèn)證試驗(yàn)環(huán)節(jié)中疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在試件與作動(dòng)器一起所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)中，研究試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，在已知風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片葉根多種荷載工況的彎矩值的基礎(chǔ)上，利用Matlab 軟件編寫(xiě)雨流法程序。得到多種荷載工況所組合的Marcov 矩陣。此時(shí)的矩陣是彎矩值，通過(guò)查閱相關(guān)資料與規(guī)范計(jì)算出葉根的等效載荷以及應(yīng)力值。將整體試驗(yàn)系統(tǒng)模型導(dǎo)入后ANSYS 后，借助有限元程序處理約束和接觸條件，分析試驗(yàn)系統(tǒng)模態(tài)，進(jìn)行諧響應(yīng)分析，施加不同大小的預(yù)緊力，試驗(yàn)系統(tǒng)不共振的前提下，得到最佳預(yù)緊力。

3 風(fēng)力機(jī)葉片連接部位疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

3.1 疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖1 工裝總體結(jié)構(gòu)連接示意圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片連接部位疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)可分為上中下三部分，上部分由橫梁，橫梁連接螺栓，MTS 機(jī)作動(dòng)頭組成；中部由法蘭傳感器，試件（1/92 的葉根模型）組成，下部由金屬夾板、連接螺栓、基座連接構(gòu)件、底座、地腳螺栓、基座底板組成。各個(gè)部位連接螺栓預(yù)緊力大小對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果影響較大，為保試驗(yàn)?zāi)馨踩行нM(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)總共存在四處預(yù)緊力，分別是上部橫梁處連接螺栓，中部著重頭處連接螺栓，下部基座連接構(gòu)件處螺栓和基座底板處連接螺栓，這些有預(yù)緊力處的連接螺栓控制著整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，也影響試驗(yàn)結(jié)果的精確性和可靠性，不同大小的螺栓預(yù)緊力，其軸向力也不同，在激勵(lì)頻率的的作用下，可能會(huì)松動(dòng)，也可能會(huì)屈服斷裂，故試驗(yàn)過(guò)程中不可忽略預(yù)緊力的影響。

3.2 關(guān)于地腳螺栓連接部位的理論建模

根據(jù)螺栓結(jié)合部的動(dòng)力學(xué)建模及其動(dòng)態(tài)特性的研究基礎(chǔ)，剛性連接bonded 明顯不符合實(shí)際情況。所以不能利用綁定約束處理地腳螺栓的結(jié)合部位。

本文采用彈簧單元理論建模，根據(jù)等效圓周直徑理論，將螺栓連接部位視作由4 組彈簧單元組成，每個(gè)彈簧單元可以看做是一個(gè)法向的剛度單元，以及兩個(gè)切向的剛度單元。依據(jù)赫茲接觸接觸理論可知，，結(jié)合面法向剛度可表示為

3.3 葉片疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)中某些螺栓相對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)而言，其質(zhì)量相對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，故可以簡(jiǎn)化為一集中質(zhì)量的彈性元件，即質(zhì)量- 彈簧系統(tǒng)，某些夾具和連接件也可以做簡(jiǎn)化處理。結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論，根據(jù)牛頓定律建立了振動(dòng)系統(tǒng)的微分方程，推導(dǎo)出頻率的相關(guān)公式，與有限元仿真分析結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，確定各螺栓連接處的預(yù)緊力大小。

4 仿真分析

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的模態(tài)分析

為了獲取試驗(yàn)系統(tǒng)的固有頻率，振型、阻尼比等模態(tài)參數(shù)，需要使用有模態(tài)分析功能板塊的有限元軟件ANSYS，其強(qiáng)大的有限單元思想和數(shù)學(xué)計(jì)算能力，易得到試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)固有頻率和振型，條件允許也可以通過(guò)測(cè)試得到模態(tài)質(zhì)量、振型，固有頻率等。模態(tài)分析是測(cè)得結(jié)構(gòu)或試驗(yàn)系統(tǒng)固有特性的主要方法，在進(jìn)行其他動(dòng)力分析前，結(jié)構(gòu)的固有特性和振型對(duì)在其他各種動(dòng)力荷載作用時(shí)分析時(shí)不可忽略。也為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為避免共振和按一特定頻率振動(dòng)提供動(dòng)力學(xué)參數(shù)。組成模態(tài)分析的七種方法是分別是block Lanczos 法、PowerDynamics 法、子空間法、縮減法、阻尼法、不對(duì)稱(chēng)法等。就本疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)而言，一般采用第一種Block Lanczos 法。模態(tài)分析的實(shí)際使用方面：（1）對(duì)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷和預(yù)測(cè)等（2）對(duì)不確定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以分析得到結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的固有特性估計(jì)值和優(yōu)化設(shè)計(jì)；（3）評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；（4）機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷的識(shí)別；（5）控制實(shí)際運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生為危害噪音等。

4.2 試驗(yàn)系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是用于確定線(xiàn)性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦顧慮變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)。分析的目的是計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)，并得到一些響應(yīng)值（通常是位移）對(duì)頻率得曲線(xiàn)。從這些曲線(xiàn)上可以找到“峰值”響應(yīng)，并進(jìn)一步觀察值頻率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。設(shè)計(jì)人員依據(jù)諧響應(yīng)分析結(jié)果，從而能夠預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力學(xué)特性，一般數(shù)來(lái)，諧響應(yīng)分由3 種方法組成：縮減法、完全法、以及模態(tài)疊加法。試驗(yàn)系統(tǒng)擬采用完全法進(jìn)行諧響應(yīng)的分析。諧響應(yīng)分析的目的：在幾種頻率下的響應(yīng)，并得到一些響應(yīng)值對(duì)頻率得曲線(xiàn)測(cè)共振響應(yīng)，并在必要時(shí)避免其發(fā)生(例如：借助于阻尼器來(lái)避免共振)。

5 試驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響因素的研究

由于試驗(yàn)系統(tǒng)在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)安全可靠的進(jìn)行，會(huì)綜合考慮多種影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的因素，與工況有關(guān)的因素，其中影響因素最大的是上文提及的螺栓結(jié)合面的法向面壓，就是地腳螺栓預(yù)緊力的大小，除此之外，還有振動(dòng)頻率，結(jié)合面介質(zhì)等。與結(jié)構(gòu)有關(guān)的因素，如結(jié)合部的類(lèi)型，尺寸，形狀等；與結(jié)合部固有特性的因素，如材質(zhì)，熱處理方法，表面粗糙度等。還有諸如螺栓底板的安裝位置，螺栓數(shù)量等都會(huì)影響整體疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。故研究分析時(shí)不能忽略這些因素的影響，以找到更適合本試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

6 研究意義

進(jìn)行試件葉片安裝前，首先就要對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)工裝的安裝的合理性和安全性考慮，試驗(yàn)工裝多處存在預(yù)緊力，試驗(yàn)前不對(duì)模型進(jìn)行恰當(dāng)?shù)哪M分析，不僅會(huì)影響疲勞試驗(yàn)最后結(jié)果，而且可能會(huì)引發(fā)安全事故。工裝螺栓預(yù)緊力過(guò)大，使得螺栓拉應(yīng)力超過(guò)屈服極限，造成螺栓突然斷裂；預(yù)緊力過(guò)小，則使螺栓連接部位容易松動(dòng)，達(dá)不到緊固連接目的，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)還會(huì)出現(xiàn)橫向擺動(dòng)。由于螺栓預(yù)緊力大小決定試驗(yàn)系統(tǒng)的固有頻率和激振頻率接近或遠(yuǎn)離，而試件葉片葉根達(dá)到共振時(shí)，會(huì)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的產(chǎn)生劇烈的影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生安全事故。所以在風(fēng)發(fā)電機(jī)葉片連接部位的疲勞試驗(yàn)中，研究螺栓預(yù)緊力對(duì)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的影響，具有重要的意義。