液压作动器驱动的风机叶片疲劳加载系统研究

黄雪梅，赵婧，张磊安

(山东理工大学机械工程学院，山东淄博255049)

风机叶片作为风电机组的关键部件之一［1-4］，在工作过程中受到外界环境及风载荷组合影响。外界环境包括自身重力和离心惯性力等，风载荷主要包括阵风、湍流、和风剪等［5］。由于长期受到交变载荷作用，所以疲劳损伤造成的破坏时有发生，因此疲劳强度分析是叶片设计的重要组成部分。由于所受到的载荷比较复杂且受限于试验条件，有关叶片疲劳寿命的研究，国内外学者大多采用建立FEM模型并结合玻璃钢复合材料的 S-N曲线对其进行疲劳寿命研究［6-7］。但以上研究均是采用建立仿真模型的手段进行研究，由于仿真模型的建立需要做较多简化，导致其模拟试验结果与实际结果存在一定差异。现场实测和物理模型试验获得的数据最直观、真实可靠，因而采用室内物理试验来研究风机叶片是否具有承受疲劳载荷的能力无疑成为一种有效手段。鉴于此，作者建立了一套双液压缸驱动的风机叶片疲劳加载系统，通过一系列仿真试验，佐证该系统可为数值模拟方法提供验证手段，也为更加深入研究风机叶片的性能打下了基础。

1 作动器驱动的疲劳加载系统设计

1.1 疲劳加载系统

为了进行MW级风机叶片的疲劳加载试验，设计了一套液压作动器驱动的风机叶片疲劳加载系统，其总体方案如图1所示。疲劳加载点约为沿叶片展向70%处，夹具两边对称放置两个液压作动器，通过液压作动器带动配重块的上下振动，驱动叶片进行上下振动。

图1 作动器驱动的疲劳加载系统

1.2 系统工况仿真分析

基于AMESim和Matlab/Simulink软件联合构建了液压作动器驱动系统的仿真模型，如图2所示。该系统采用两个蓄能器 (A和B)分时供油，泵站分时补油的控制方案。

图2 液压驱动系统仿真模型

限于篇幅，以动力源蓄能器A供油为例，在一个工作周期中，其内部的气体压力变化曲线如图3所示。

根据图3的气体压力变化曲线，得到加载系统工况，分为3个阶段:(1)阶段的气体压力逐渐降低，表明为蓄能器A处于充油阶段;(2)阶段的气体压力不变，表明处于等待蓄能器B的充油阶段;(3)阶段的气体压力上下波动，此时蓄能器A处于工作工况。

图3 气体压力变化曲线

2 动力源参数仿真分析

2.1 气体多变指数仿真

蓄能器作为加载系统的重要动力源，其内部通常冲入为氮气，利用气体的的弹性变形储存或释放能量。根据任意平衡状态的压力和体积变化，建立克拉贝隆方程［8］:

式中:p为气体的绝对压力，Pa;

V为气体的体积，m3;

M为气体的质量，kg;

T为气体绝对温度，K;

R为气体常数，N·m/(kg·K)。

根据式(1)可以看出，等温过程时有:

式中:p1、V1为气体变化前的压力、体积;

p2、V2为气体变化后的压力、体积。

根据热力学定律，气体处于绝热状态有:

式中:n为气体多变指数。

气囊式蓄能器作为疲劳加载系统的动力源，取不同的气体多变指数对系统影响较大。文献 ［9］对蓄能器多变指数对系统的影响进行试验，得到气体多变指数的取值在1.0～1.4。而气体多变指数取值通常取决于气体与外界换热是否充分，如果换热充分可视为等温过程，取n=1;如果换热不充分，可视为绝热过程，取n=1.4。

为了对比不同气体多变指数对该系统的影响程度，选择不同的气体多变指数进行仿真，结果如图4所示。

图4 气体体积变化

从图4中看出，当气体多变指数取值为1时，动力源内部的气体体积逐渐增大，表明蓄能器内部的油液体积逐渐减小。当气体多变指数取值为1.4时，气体体积近似不变，也表明蓄能器内部的油液体积基本维持恒定。由于疲劳加载试验的周期较长，应尽可能让动力源处于绝热状态。

3 控制系统设计与研究

3.1 控制系统建模

建立加载系统的力平衡方程、流量连续性方程和负载压力-流量方程:

式中:QLi为液压缸负载流量，L/min;

xpi为各液压缸的位移，m;

Mi为负载总质量，kg;

Ah为液压缸有效面积，m2;

Ki为弹簧等效刚度，N/m;

pLi为负载压力，MPa;

Fli为液压缸外负载，N;

xvi为比例伺服阀的阀芯位移，mm。

化简得到微分方程组:

令

3.2 仿真算例

以图2的仿真模型为例，其中部分关键参数选择如表1。

表1 参数配置表

以控制系统数学模型为基础，采用主从PID控制算法，实时测量叶片振动过程中的振幅，控制两个作动器的速度。图5与图6分别为作动器振幅一致和存在振幅差的情况下，作动器的振动状态。

图5 作动器位移曲线(振幅一致)

图6 作动器位移曲线(振幅差)

从上述仿真曲线看出，在负载不变情况下，该系统能保证两个作动器动作完全一致，即位移曲线完全吻合，此时叶片处于自然状态。另外，可根据需要使两个作动器保持任意振幅差，此时叶片处于扭转状态。在振动过程中，该系统可准确捕捉负载共振点，近似于正弦变化，也验证了之前建模的准确性。

4 结论

通过设计一套双蓄能器分时供油的风机叶片疲劳加载系统，通过对整个系统的建模、仿真分析，得出如下结论:

(1)采用蓄能器供油，泵补油的三阶段加载方案完全可行，气体多变指数处于绝热状态时能保证该加载系统的长时间工作。

(2)通过建立控制系统的数学模型，仿真证明该系统在保证叶片共振的前提下，可根据实际需要使叶片处于任意姿态。该加载系统为后续的叶片疲劳加载试验打下了基础。

【1】BURTON T，SHARPE D，JENKINS N.Wind Energy Handbook［M］.Chichest er:John Wiley＆Sons，2001:287-293.

【2】LU Lin，YANG Hong-xing，Burnett J.Investigation on Wind Power Potential on Hong Kong Islands:An Analysis of Wind Power and Wind Turbine Characteristics［J］.RenewableEnergy，2002，27(1):1-12.

【3】JOSELIN HERBERT G M，INIYAN S，SREEVALSAN E，et al.A Review of Wind Energy Technologies［J］.Renewable sustainable Energy Reviews，2007，11(6):1117-1145.

【4】KONG C，BANG J，SUGIYAMA Y.Structural Investigation of Composite Wind Turbine Blade Considering Various Load Cases and Fatigue Life［J］.Wind Energy，2005，30 (11/12):2101-2114.

【5】李朝.近地湍流风场的CFD模拟研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010:18-22.

【6】KONG Changduk，KIM Taekhyun，HAN Dongju，et al.Investigation of Fatigue Life for a Medium Scale Composite Wind Turbine Blade［J］.International Journal of Fatigue，2006，28(10):1382-1388.

【7】SUTHERLAND Herbert J，MANDELL John F.The Effect of Mean Stress on Damage Predictions for Spectral Loading of Fiberglass Composite Coupons［J］.Wind Energy，2005，8 (1):93-108.

【8】康荣杰，陈丽莎，焦宗夏.基于能量调节的电动静液作动器设计与与仿真［J］.北京航空航天大学学报，2010，36 (1):18-21.

【9】王德伟.蓄能器充压过程中气体多变指数的确定［J］.液压与气动，2007(9):78-80.