风轮叶片电动惯性式疲劳加载系统研究与开发

文 | 乐韵斐，贾强



风轮叶片电动惯性式疲劳加载系统研究与开发

文 | 乐韵斐，贾强

风能作为一种清洁的永续能源，在全球范围内受到了广泛关注。风轮叶片是风力发电系统的重要组成部分，由于风电机组叶片疲劳寿命分析的理论方法尚不成熟，单纯依靠理论计算的结果往往和实际有较大差距，因此风电机组叶片疲劳试验是检验其质量和寿命的关键一环，是对叶片进行寿命评估认证的重要方法。疲劳试验根据加载方式的不同，分为强制位移型、共振型和混合型；根据加载方向的不同，分为单轴加载和双轴加载，单轴加载即单独对挥舞方向或摆振方向进行加载，双轴加载即对挥舞方向和摆振方向同时进行加载；根据加载点的不同，又可分为单点加载和多点加载。本文提出的电动惯性式疲劳加载系统是一种全新的共振型加载方案，激振器采用模块化设计，可同时应用于单轴加载和双轴加载，亦分别适用于单点加载和多点加载。

基本原理及驱动形式

一、基本原理

电动惯性式疲劳加载系统由夹叶片夹具和激振器模块组成，如图1所示。4个激振器模块完全相同，通过改变激振器模块的安装方式，可用于单轴或双轴加载：只安装模块A和B，可实现挥舞方向加载；只安装模块C和D，可实现摆振方向加载；4个激振器模块同时安装，可实现叶片挥舞方向和摆振方向的双轴加载。

电动惯性式疲劳加载系统的工作原理为：激振器带动质量块作简谐运动，其产生激振力驱动叶片振动；通过控制系统调节质量块运动速度，使其同步运动，并使运动频率接近叶片固有频率，使叶片达到共振状态。

二、驱动形式方案比较

目前常见的叶片共振型加载方式主要有摆锤式和往复惯性式。相比于摆锤式加载，往复惯性式加载有如下优势：

（一）质量往复运动产生的惯性力与叶片加载方向完全一致，因此可避免像离心力加载那样对叶片产生纵向力和局部弯矩，改善加载效果，且往复惯性式加载质量块只作直线运动，加载过程更加安全，可免去摆锤防护罩。

（二）加载过程中，叶片达到共振后加载频率应保持不变，往复惯性式加载此时仍可在不停止加载的情况下通过改变质量块振幅来调整激振力大小，而摆锤式加载若需调整激振力大小只能中断加载过程，增减质量块。

（三）摆锤式加载只适用于垂直方向的加载，往复惯性式加载可适用于垂直方向及水平方向的加载，还可以进一步对叶片同时进行垂直、水平复合疲劳加载试验，更符合叶片使用工况，缩短试验周期。

往复惯性式加载的驱动形式可为直线电机、液压伺服系统及伺服电动缸。目前市面上的直线电机可达的持续功率及负载能力达不到大型叶片的加载要求，且价格昂贵。相比于液压伺服系统加载，伺服电动缸加载的优势如下：

（一）液压伺服系统组成复杂，包括油箱、变量泵、伺服阀及其它阀件、液压缸等，叶片疲劳加载一般周期为百万次以上，各组成部分均容易疲劳损坏；伺服电动缸主要组成部分为伺服电机和滚珠丝杠，结构简单，性能可靠，磨损小。

（二）根据液压伺服系统特性，其最大有效功率仅为泵送功率的38.5%，另外还有摩擦、泄漏等能量损失，而伺服电动缸由伺服电机直接驱动滚珠丝杠，传动效率高。

（三）液压伺服系统对液压油清洁度要求高，并对油温变化较敏感，且高精度液压元件造价较贵；相比之下，伺服电动缸对环境适应能力更好，且更加经济环保。

稳态振动能量分析

叶片在振动质量块稳态运行下的状态示意图如图2所示，初始状态为A，一个周期的循环为A-B-C-D，虚线所绘为C状态下质量块位置。

质量块相对于叶片的位置s(t)、叶片加载点相对于地面的位置A(t)分别为：

其中：S为质量块运动振幅，A为叶片运动振幅，ω=2πf，f为叶片固有频率。

激振器提供叶片的激振力为：

激振力在一个周期内做的功为：

叶片在一个周期内的阻尼能耗为：

其中：k为叶片加载点等效刚度，ξ为叶片等效阻尼比，c=2kξ / ω。

根据能量守恒定律，一个周期内激振力做功应与叶片阻尼消耗能量相等，即∆E=∆W，由此可得到往复质量块等效质量为：

由式（3）可知，对于某一特定的叶片，当需要达到的振幅A一定时，激振器所需质量块质量与其振幅为反比关系，如图3所示。

在质量块质量一定的情况下，叶片振幅与质量块振幅成正比例关系，如图4所示。

确定动力系统关键参数

质量块相对于地面位置x(t)为s(t)与A(t)矢量和，即：

对式（1）求导可得质量块相对于叶片运动的速度方程v(t)=ωSsinωt，易知质量块运动过程中最大速度：

对式（4）求两次导可得到质量块相对于地面的加速度方程，根据牛顿运动定律可知，挥舞方向加载时，电动缸需提供负载Fs(t)为：

易知一个加载周期内电动缸提供的负载最大值为：

电动缸输出功率为：

为平衡质量块重力，减小电动缸负载及功率，在装置中加入弹簧结构。在初始状态下弹簧弹力最大，为F0，弹簧的劲度系数为k，则加载过程中，弹簧弹力为：

则加入弹簧后电动缸输出负载为：

则电动缸最大输出负载为：

加弹簧后电动缸输出功率为：

算例

某型叶片电动惯性式疲劳加载试验装置如图5所示，挥舞方向各参数如表1所示，以此为例进行电动往复质量惯性式叶片疲劳加载系统参数计算。

表1 某型叶片参数

表2 计算结果

由于该加载系统采用对称布置，即每个方向有两个激振器共同提供激振力，故计算质量块等效质量及电动缸负载和功率时相应公式应作减半处理。对于上述已知叶片，分别选取质量块振幅S为0.3m、0.4m和0.5m，计算结果如表2所示。

根据表2中计算结果，可进行疲劳加载装置机械结构的设计、疲劳加载试验过程中条件的设定以及电动缸的选型。

在每个激振器上加入两根刚度为5.1kN/m、最大工作载荷为4.2kN的弹簧，在质量块振幅S为0.4m的情况下电动缸最大负载从10.5kN减小到7.2kN，减幅为31%。图6为加弹簧前后电动缸负载对比曲线。

电动缸最大功率从13.1kW减小到9.7kW，减幅为26%。图7为加弹簧前后电动缸功率对比曲线。

通过上述对比可知，加入弹簧对于减小电动缸的负载和功率起到一定作用，从而可以相应提高电动缸使用寿命。

结论

根据风轮叶片疲劳检测认证的要求，提出了一种新型的疲劳加载系统。对加载系统进行了稳态振动能量分析，并对动力系统关键参数进行了计算及匹配。在动力系统中引入弹簧，减小了电动缸的负载及功率。最后以实际风轮叶片算例说明计算过程，为疲劳加载装置机械结构的设计、疲劳加载试验过程中条件的设定以及电动缸的选型提供了依据。

（作者单位：同济大学）