梁振宇，段文銳，何宇杰，侯鵬亮

（鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

引言

隨著不可再生能源的日益枯竭，新能源取代化石能源成為了人類社會(huì)發(fā)展的迫切需求。盡管光能只有2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但全球儲(chǔ)量約2.74×109MW，人類可利用風(fēng)能約為2×107MW，相當(dāng)于全球耗煤所產(chǎn)生能量的1 000倍以上[1]。風(fēng)能作為一種優(yōu)質(zhì)的新能源在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，從丹麥Vestas在中國(guó)建廠并投入生產(chǎn)82 m的風(fēng)電葉片[2]，到近年來(lái)隨著風(fēng)電機(jī)組規(guī)模的不斷擴(kuò)大、裝機(jī)數(shù)量以及容量的增加，截至2010年中國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已超過(guò)4 000萬(wàn)kW，中國(guó)新增裝機(jī)容量躍居世界第一[3]。大量的風(fēng)電機(jī)組必須得到日常維護(hù)，尤其是風(fēng)電葉片作為機(jī)組的動(dòng)力部件，經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂、斷裂、分層和脫膠等缺陷（如圖1所示），造成風(fēng)機(jī)發(fā)電效率降低，甚至造成巨額經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此，設(shè)計(jì)一種試驗(yàn)裝置，對(duì)風(fēng)電葉片進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，獲得風(fēng)電葉片的疲勞性能數(shù)據(jù)，為風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)和制備提供依據(jù)。文章介紹的實(shí)驗(yàn)裝置主要包括承載夾持機(jī)構(gòu)、帶動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)沿風(fēng)電葉片長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)至承載機(jī)構(gòu)處的導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及疲勞檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

1 疲勞理論

圖1 風(fēng)電葉片損壞照片

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)疲勞進(jìn)行了規(guī)范描述：在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過(guò)程叫做疲勞[4]。風(fēng)電葉片疲勞主要是由葉片的工作環(huán)境決定，其所受載荷一般有重力載荷、慣性載荷、氣動(dòng)載荷等[5]，其中最常見(jiàn)的破壞形式就是機(jī)械疲勞破壞，主要是因?yàn)轱L(fēng)電葉片機(jī)組在惡劣的工作環(huán)境下，葉片不可避免地承受自然風(fēng)載荷和內(nèi)部的沖擊載荷。葉片在工作過(guò)程中不斷承受交變載荷引起的疲勞失效主要表現(xiàn)為機(jī)體開(kāi)裂、脫膠等，因此設(shè)計(jì)一種多角度疲勞試驗(yàn)加載裝置，對(duì)風(fēng)電葉片進(jìn)行載荷分析能夠更好地模擬葉片的實(shí)際受力情況，使試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到或更接近于實(shí)際工況的標(biāo)準(zhǔn)，大大提高疲勞試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，同時(shí)為測(cè)試風(fēng)電葉片的服役壽命提供一種可靠的預(yù)測(cè)方案。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 承載夾持機(jī)構(gòu)

承載機(jī)構(gòu)包括尾架座整體和導(dǎo)軌整體，如圖2所示。利用尾架座對(duì)風(fēng)電葉片的葉根進(jìn)行固定，尾架座要有足夠的高度保證葉片在測(cè)試過(guò)程中不觸及地面，同時(shí)為了使加載過(guò)程的順利進(jìn)行必須滿足足夠的剛度與強(qiáng)度，還需要具有一定的通用性。同時(shí)為保證固定穩(wěn)定性，在尾架座上設(shè)置與葉根相配合的螺栓孔，通過(guò)螺母將葉根上的螺栓固定在尾架座。將尾架座與軌道設(shè)置為一體成型，可有效提高檢測(cè)裝置的裝置穩(wěn)定性，且尾架采用鋼筋混凝土澆筑的葉片固定端裝置，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、支撐力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好。

圖2 尾架座

為了對(duì)風(fēng)電葉片特定位置進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)外固定的夾持裝置，如圖3所示，不僅能夠滿足葉片固定的需要，還能作為承載機(jī)構(gòu)承受載荷施加裝置提供的載荷，為有效分析葉片力學(xué)性能提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。內(nèi)外固定裝置由專用內(nèi)槽和通用外槽構(gòu)成，通用外槽的形狀均與外框架的形狀一致，為八邊形形狀，既準(zhǔn)確對(duì)正平面又可以配合載荷施加裝置提供八個(gè)不同方位的主要載荷力，即對(duì)風(fēng)電葉片的多角度提供大小不同的有效載荷。專用內(nèi)槽為可拆卸式，被設(shè)置在通用外槽內(nèi)共同組成測(cè)量夾具，在各專用內(nèi)槽上開(kāi)設(shè)的通孔與其固定位置風(fēng)電葉片的待檢測(cè)部位相適配，即整個(gè)風(fēng)電葉片檢測(cè)的幾個(gè)平面點(diǎn)位分別對(duì)應(yīng)幾個(gè)專用內(nèi)槽，與此同時(shí)僅使用同一通用外槽。檢測(cè)時(shí)，首先在待檢測(cè)部位安裝專用內(nèi)槽和通用外槽，然后檢測(cè)機(jī)構(gòu)從導(dǎo)軌最前端運(yùn)動(dòng)到風(fēng)電葉片的待檢測(cè)部位停止，通電實(shí)現(xiàn)電磁鐵對(duì)夾持裝置吸引加載，隨著載荷的不同，傳感器傳遞不同數(shù)據(jù)參數(shù)到總機(jī)匯總結(jié)果。

圖3 夾持機(jī)構(gòu)

2.2 導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)

通過(guò)電機(jī)和鏈傳動(dòng)帶動(dòng)兩個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)軸，軸端滾輪分別卡入固定滾動(dòng)軌道，以實(shí)現(xiàn)在預(yù)定軌道預(yù)定。待檢測(cè)的風(fēng)電葉片在底座上固定和裝夾夾具后，導(dǎo)軌電機(jī)拖動(dòng)滾輪和測(cè)量架運(yùn)動(dòng)至待檢測(cè)位置并由傳感器對(duì)夾持機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確定位。電機(jī)拖動(dòng)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，采用PLC控制，可靠性高且抗干擾能力強(qiáng)。

2.3 進(jìn)給機(jī)構(gòu)

進(jìn)給機(jī)構(gòu)（如圖4所示）的運(yùn)動(dòng)是在測(cè)量架運(yùn)動(dòng)至特定位置后內(nèi)部進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，主要包括曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、滑塊機(jī)構(gòu)、液壓缸等運(yùn)動(dòng)，通過(guò)一系列準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)以對(duì)齊至檢測(cè)準(zhǔn)備狀態(tài)并等待檢測(cè)。

圖4 測(cè)量架

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，在傳感器檢測(cè)距離的基礎(chǔ)上曲柄滑塊機(jī)構(gòu)推動(dòng)滑塊控制兩端滑桿同時(shí)向中間移動(dòng)使兩個(gè)滑動(dòng)桿的間距縮小，以此推動(dòng)伸出測(cè)量架向通用外槽靠近。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)粗距離調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，還設(shè)置有用于微調(diào)節(jié)液壓桿，通過(guò)對(duì)液壓桿的微調(diào)實(shí)現(xiàn)電磁鐵與承載機(jī)構(gòu)外壁之間距離的微調(diào)，避免電磁鐵過(guò)度前推造成葉片受損。當(dāng)傳感器檢測(cè)通用外槽和電磁鐵至一定數(shù)值后，電機(jī)停止并卡死，液壓桿微調(diào)距離達(dá)檢測(cè)狀態(tài)，通過(guò)電磁吸引通用卡槽，對(duì)葉片前段（因?yàn)槿~片損壞主要是前段）加載，同時(shí)傳感器測(cè)量電磁鐵與通用卡槽的距離并匯總?cè)~片的偏離量和葉片的受力情況，改變通過(guò)電磁鐵的電流頻率和大小，測(cè)量不同載荷下風(fēng)電葉片疲勞力學(xué)性能。在檢測(cè)風(fēng)電葉片不同位置狀態(tài)時(shí)，可選用與此位置匹配的固定內(nèi)槽，按以上操作獲得結(jié)果。

2.4 檢測(cè)機(jī)構(gòu)

檢測(cè)機(jī)構(gòu)主要包括測(cè)量架及其上面的傳感器和檢測(cè)裝置，目前國(guó)內(nèi)外主流廠商多采用無(wú)損檢測(cè)方式，即利用光、電、聲等物質(zhì)的物理特性來(lái)檢測(cè)材料中是否存在缺陷并定位和評(píng)價(jià)的技術(shù)，其最大優(yōu)點(diǎn)是不影響被檢測(cè)對(duì)象的性能和結(jié)構(gòu)，具有非破壞性、全程性、可靠性、全面性。常用于風(fēng)電葉片的無(wú)損檢測(cè)方法有超聲檢測(cè)、X射線檢測(cè)、紅外熱檢測(cè)等[6-7]。從Kaiser效應(yīng)[8]的發(fā)現(xiàn)到Tarto[9]首次將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于工程材料的損傷檢測(cè)中，超聲檢測(cè)既方便又經(jīng)濟(jì)，逐漸成為主流檢測(cè)方法，但易造成裝置振動(dòng)，故在超聲檢測(cè)的同時(shí)附加其他無(wú)傷檢測(cè)如紅外檢測(cè)等，以保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

3 裝置運(yùn)動(dòng)檢測(cè)過(guò)程及其特點(diǎn)

3.1 裝置運(yùn)動(dòng)檢測(cè)過(guò)程

圖5 裝置圖

測(cè)量前，將風(fēng)電葉片固定在尾架座上（如下頁(yè)圖5所示），在風(fēng)電葉片指定測(cè)量點(diǎn)安裝承載夾持機(jī)構(gòu)后電機(jī)帶輪子使檢測(cè)架從導(dǎo)軌最前端滑動(dòng)，至設(shè)置有承載機(jī)構(gòu)的待檢測(cè)部位停止。在檢測(cè)風(fēng)電葉片不同位置狀態(tài)時(shí)，選用與此位置相匹配的專用內(nèi)槽，使測(cè)量架與該承載機(jī)構(gòu)位于同一平面內(nèi)。檢測(cè)時(shí)，位移傳感器測(cè)量電磁鐵與固定外殼外表面之間的距離，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)滑動(dòng)桿前推至一定距離后驅(qū)動(dòng)液壓桿前推微調(diào)到與通用外槽距離可保證電磁鐵正常工作，在需要加載方向的電磁鐵上通電，使電磁鐵吸引通用卡槽，交替通斷對(duì)應(yīng)方向電磁鐵線圈，改變不同方向電磁鐵吸引力大小以實(shí)現(xiàn)多角度疲勞加載，通過(guò)調(diào)節(jié)電流頻率和電流大小，以實(shí)現(xiàn)不同疲勞加載頻率的調(diào)節(jié)和疲勞強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。最后分析匯總各檢測(cè)裝置和傳感器數(shù)據(jù)至終端電腦并分析風(fēng)電葉片的多角度疲勞力學(xué)性能，得到風(fēng)電葉片的性能參數(shù)。

3.2 裝置特點(diǎn)

該裝置特點(diǎn)在于使用專用夾具和八邊形通用夾具配合檢測(cè)架，運(yùn)用電磁感應(yīng)原理對(duì)風(fēng)電葉片疲勞加載配合檢測(cè)裝置加以檢測(cè)，與振動(dòng)激振裝置[10-11]不同，它基本上不存在振幅對(duì)檢測(cè)過(guò)程的影響，也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)加速儀器老化的問(wèn)題，具有裝置簡(jiǎn)單且可控性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)與傳統(tǒng)電磁脈沖式疲勞加載裝置[12]也不同，它可以通過(guò)使用多個(gè)夾具和八邊形的主要載荷受力方向的復(fù)合實(shí)現(xiàn)多角度多方向?qū)︼L(fēng)電葉片的疲勞加載，有利于獲得更多精確數(shù)據(jù)，便于進(jìn)一步對(duì)風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)和材料研究和完善。

4 結(jié)語(yǔ)

作為一種新型風(fēng)電葉片多角度疲勞力學(xué)性能檢測(cè)裝置，該測(cè)試裝置在受載時(shí)僅需改變電流的頻率和大小即可增大或者減小對(duì)風(fēng)電葉片指定位置的載荷，與當(dāng)前市面上存在的測(cè)試裝置相比，可以同時(shí)檢測(cè)以八個(gè)方向?yàn)橹鞯亩嘟嵌绕诹W(xué)載荷，真實(shí)地還原了風(fēng)電葉片的工作狀態(tài)，能夠?yàn)轱L(fēng)電葉片的疲勞測(cè)試提供有效的數(shù)據(jù)測(cè)試，有效減少了因風(fēng)電葉片承受交變載荷而受損。該裝置簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且在保證結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)保證了測(cè)試精度的準(zhǔn)確性和測(cè)試結(jié)果的多樣性，會(huì)在國(guó)內(nèi)中小型風(fēng)電廠商中有較廣的市場(chǎng)前景。