叶片材料试验装置的立项研究

马瑞

摘要：本文主要介绍用于风电叶片叶片材料试验装置立项依据、研究内容、研究试验方法、技术路线、技术参数及系统参数仿真验证计算，并结合公司实际软硬件情况提出立项研究的可行性及良好的市场前景。

Abstract： This paper mainly introduces the project basis， research content， research and test method， technical route， technical parameter and the system parameter simulation verification calculation of leaf material of wind power blades and puts forward the feasibility and good market prospects of the project research based on the actual hardware and software of the company.

关键词：叶片材料；疲劳测试；仿真验证计算；可再生能源

Key words： leaf material；fatigue test；simulation verification calculation；renewable energy

中图分类号：TK263.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）21-0135-03

0 引言

据统计：随着我国风能市场的扩大，风机制造业逐渐进入高速发展期。国内外众多制造企业开始进入我国风能市场。其中叶片是风力发电机的核心部件。由于陆上或海上风场的气候条件恶劣，监测和维护困难，对外界温度、叶片裂纹、雷击等对叶片损伤的早期预警显得十分重要。叶片必须经受住极端载荷和弯曲，可以承受20年中等强度的磨损和弯曲。对此，叶片制造完成后的型式试验非常重要，而其中疲劳测试和加载测试就成为该环节关注的重中之重。

相关测试设备随着最近几年全球新能源发展浪潮开始逐步发展。目前国外测试设备一次性疲劳测试最高振动频率在最大振幅时为1Hz，连续测试20万到50万次，振幅在±100mm以内，疲劳测试载荷在20kN以内。由于我国在该环节起步晚、初期叶片追求量产和相关行业标准的缺失，目前还没有相关特种测试设备。

本项目研究的目的和积极意义一在于提高自主研发水平，不受制于人，提升高端设备自主品牌形象；二在于超越国外同类测试设备，做到人有我优；三在于提高风电叶片质量，做到问题的早测试、早发现、早解决。

1 具体研究内容

一是用于测试叶片材料的抗疲劳强度：测试在以平衡位置为原点，试件进行最大振幅为±300mm的疲劳测试，控制系统允许振幅在0至±300mm范围内对称连续调整。疲劳试验时的最高振动频率在最大振幅时为1Hz。这即意味着在1秒内完成1200mm的行程，完成两次运动方向的转换。这种运动方式需连续运行100万次，也即连续工作11.6天。这对系统各个元件都是一个考验，对液压系统、电控系统乃至机械结构都提出了较高要求。某种意义上也是对整个设备各环节做疲劳测试。

二是静载荷测试，这个从本质上说就是材料的破坏性试验，相对疲劳试验从技术上要简单一点。

2 关键技术问题

①要克服了振幅为±300mm下的疲劳测试，这在国外类似设备上是没有的，国外一般在±100mm以内。国内其它行业的疲劳测试设备一般行程都在几十毫米以内，20万次的疲劳测试。在频率1Hz下实现如此行程也即意味着一秒内进行单行程1200mm、连续100万次折合为12天的考验。这对液压系统元件、机械部件、装机水平都是一个疲劳测试的过程。任何环节出现问题都意味着目标的不能实现。②系统发热问题，由于系统的频率要求，必须采用伺服系统，伺服系统在液压行业是最尖端的。同时伺服系统的发热情况也是比较严重。解决系统发热问题是系统原理设计环节的难点。③实现供液压力的稳定及在保证系统所需最大流量的前提下降低泵的排量，即泵供给油缸疲劳试验时的一定流量，在部分区域的峰值流量由蓄能器供给。常规伺服系统中往往用蓄能器用作吸收震动和冲击，也鲜有用于系统补油。这对整机调试产生何种影响，都需要前期对其最系统仿真。但实际情况和仿真有多大区别，都是未定之数。④试验台装置在减少焊接量，多采用拼装设计上有较大突破，这样尽量避免焊接变形、适用不同测试件规格尺寸便于调整等方面有所创新。但相关连接件的疲劳性能如何还需要认真计算和选型。⑤设备对智能化程度要求比国外设备有较大提高。拟采用触摸屏、打印机及高速摄像机等电气元件，使得该设备成为集机电液一体，智能化程度较高的大型设备。

3 技术方向

通过“风电叶片材料性能测试试验装置的研发”课题的研究，掌握叶片在自然环境下的疲劳破坏和加载下的破坏情况。

①设备能按照如上技术参数进行静载和疲劳试验：②本体结构如图1：采用全框架紧固件连接方式。③液压系统：液压系统是一个闭环控制的伺服系统。主要由以下部分构成：1）动力部分：恒压变量泵及蓄能器，实现供液压力的稳定及在保证系统所需最大流量的前提下降低泵的排量，即泵供给油缸疲劳试验时的平均流量，在峰值流量时由蓄能器供给。2）控制部分：电液伺服阀，利用该阀的高固有频率保证系统需要的性能。3）执行部分：带全程检测位移传感器的伺服油缸，且为双活塞杆结构。4）反馈部分：由位移传感器和PLC可编程控制器组合完成。5）安全保护：液压部分的安全保护由溢流阀及恒压泵的特性实现。6）过滤部分：由高过滤精度的高压过滤器及中精度的回油过滤器两部分组成。7）冷却系统：伺服系统的压力油工作在伺服阀口节流状态，发热较大，系统配有一管式冷却器，以确保系统连续工作。8）此外在油缸的两腔备有压力传感器的接口，以输出油缸的推、拉力数据（PLC可编程上可输出油缸位移量数据）。系统在进行两种试验时采用不同的液压压力，由恒压泵的变量点控制进行调整。

④系统参数仿真验证计算。

利用AMESIM软件建立整个系统的仿真模型，如图2-图5所示。

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4 结束语

利用现有单位平台在产品设计中采用Solid Works三维软件，在电脑上模拟机构运动过程，检查机构有无干涉，检验设计设想的运动要求。ANSYS有限元分析软件对设计图纸中的零件和机构的强度，刚性进行了力学分析，并编制工艺指导文件。

本项目属于可再生能源范畴，是国家重点支持与鼓励产业，对环境无影响。

由于风电行业的迅猛发展，行业内部鱼龙混珠，作为风电核心部件的叶片质量成为各方瞩目的焦点，国家也正在制定叶片制作和测试的技术标准，以便规范产品质量。这样叶片材料的技术参数测试成为该产品未来不可或缺的要素。该设备预期有较好的市场前景和市场适用性。

参考文献：

[1]王春行.液压伺服控制系统[M].机械工业出版社，1989.6.

[2]李恩光.机电伺服控制技术[M].东华大学出版社，2003.

[3]李永利.疲勞试验测试分析理论与实践[M].国防工业出版社，2011.