CN102636367A - 一种模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置，在加载装置的加载承载盘的左端沿轴向分布一组左轴向加载增压缸，在加载承载盘的右端沿轴向分布一组右轴向加载增压缸，同时在加载承载盘左端的主轴上沿径向分布一组径向加载增压缸，通过计算机控制系统控制液压系统的加载回路以控制左轴向加载增压缸、右轴向加载增压缸和径向加载增压缸的加载力，同时加载力由加载增压缸传递给静压轴承，并由静压轴承的静压油膜传递给静压承载盘，通过各加载力和加载弯矩的组合，完成5自由度载荷(F_x，F_y，F_z，M_y，M_z)的加载。本发明用于准确模拟真实工况下风力及海流能发电装置和其传动舱内各零部件所受到的各种载荷情况。

Description

一种模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置

技术领域

本发明属于风力及海流发电技术领域，特别地涉及一种模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置。

背景技术

为应对越来越严重的能源紧缺问题，绿色可再生能源的开发和利用越来越被重视。风力及海流能作为一种新兴的可再生绿色能源，因其相当可观的储量和清洁可再生性，风力及海流能源也将成为解决能源危机的重要途径。目前，海上机组的投资风险很大，需要远高于陆上机型的设备可靠性，因而建设能够完整模拟海上现场运行工况的大型多自由度动力载荷加载装置对于加速风力及海流能发电机组产品的成熟、降低运营风险有重要的意义。

海流能发电装置为获取海流能的重要设备，该设备通过海流驱动的叶轮旋转来捕获能量，因海流梯度明显，叶轮在旋转过程中，叶轮的翼形攻角不断地发生变化，叶轮载荷分布很不均匀，叶轮载荷的变化使得发电装置工作状况恶劣，机组振动较大，严重影响了风力及海流发电的质量和效率，因而在实验室环境下，能够准确，真实的模拟海流发电装置在运行过程中所受到的载荷，对于海流发电装置的分析评价和设计改进，具有非常重要的意义。

目前，国内仅有模拟风力机载荷的拖动加载装置，该种模拟风力机载荷的拖动加载装置主要由交流电动机，变频器，联轴器，减速器和主轴，加载器等组成，通过变频器调节交流电动机可以实现主轴转速和输出扭矩的调节，同时交流电动机经过减速器带动主轴运转，实现动力的传递，但是该拖动加载装置仅仅能实现轴向扭矩模拟，而无法全面有效地模拟真实工况下发电装置所受到的各类载荷，同时该拖动加载装置仅仅能模拟风力机所受载荷情况，而无法有效的模拟海流能发电机所受的载荷情况。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷，避免造成无法全面有效地模拟真实工况下风力发电装置和海上发电装置所受到的各类风力及海流载荷，本发明的模拟风力及海流载荷的多自由动力加载装置即完全能够用于在实验室环境下准确真实模拟风力及海流发电装置在运行过程中所受到的多自由度载荷。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置，用于准确模拟真实工况下风力及海流发电装置和其传动舱内各零部件所受到的各种载荷情况，包括5自由度的加载的动态力和加载的动态弯矩，5自由度的加载的静态力和加载的静态弯矩，以及各种工况下，如极限载荷工况，疲劳载荷工况等等，连续变化的的力和弯矩工况，其中动态工况即为风力及海流发电装置发电运行工况，静态工况即为风力及海流发电装置停机工况。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置，在所述加载装置的加载承载盘的左端沿轴向分布一组左轴向加载增压缸，在所述加载承载盘的右端沿轴向分布一组右轴向加载增压缸，同时在所述加载承载盘左端的主轴上沿径向分布一组径向加载增压缸，通过计算机控制系统控制液压系统提供的加载回路以控制所述左轴向加载增压缸、右轴向加载增压缸和径向加载增压缸的加载力，同时所述加载力由加载增压缸传递给静压轴承，并由所述静压轴承的静压油膜传递给所述静压承载盘，通过各加载力和加载弯矩的组合，完成5自由度载荷(F_x，F_y，F_z，M_y，M_z)的加载，其中所述5自由度载荷的坐标系定义为，X轴为沿主轴方向，指向下海流方向；Y轴为与主轴轴线垂直，构成右手坐标系；Z轴为与主轴轴线垂直，在经过主轴轴线的垂直平面内；F_x表示X轴正方向的加载力；F_y表示Y轴正方向的加载力；F_z表示Z轴正方向的加载力；M_y表示倾覆弯矩；M_z表示偏航弯矩。

优选地，所述一组左轴向加载增压缸至少包括8个加载增压缸，所述一组右轴向加载增压缸至少包括8个加载增压缸，所述一组径向加载增压缸至少包括8个径向加载增压缸。

与现有技术采用的模拟风力机载荷的拖动加载装置相比，本发明的有益效果如下：

(1)使用本发明所述的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置，可以真实模拟各种工况下风力及海流发电装置所受的多自由度的载荷，为风力及海流发电装置的设计，制造，实验研究提供有益的参照和第一手数据，有助于提高机组的性能和可靠性；

(2)使用本发明所述的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置，不仅可以实现传统的拖动加载装置所能实现的轴向的单自由度的扭矩模拟，而且可以实现风力及海流载荷的多工况，多自由度力和弯矩，以及不同的风速及海流速动态模型情况下的模拟。

附图说明

图1为本发明实施例的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置所受的5自由度的加载力和加载的弯矩分布和方向示意图；

图2为本发明实施例的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置的本体结构示意图；

图3为本发明实施例的左轴向加载增压缸加载回路的液压控制系统原理图；

图4为本发明实施例的右轴向加载增压缸加载回路的液压控制系统原理图；

图5为本发明实施例的径向加载增压缸加载回路的液压控制系统原理图；

图6为本发明实施例的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置的单加载增压缸的加载回路原理图；

图7为本发明实施例的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置的静压轴承供油系统原理图；

图8为本发明实施例的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置的计算机控制系统原理图。

标记说明：

1-上壳体；2-径向加载增压缸；3-下壳体；4-底座；5-被试件；6-左轴向加载增压缸；7-加载承载盘；8-右轴向加载增压缸；9-联轴器；10-驱动装置；11-静压轴承。

100-油箱；200-加载增压缸；201-电动机；202-联轴器；203-液压油泵；204-高压过滤器；205-单向阀；206-溢流阀；207-限压式进口减压型定压差压力补偿器；208-电液比例换向阀；209-液压锁；210-单向阀；211-压力与温度传感器组；212-过滤器；213-散热器；214-过滤器；215-压力继电器；216-压力继电器。

301-溢流阀；302-电动机；303-连轴器；304-液压油泵；305-单向阀；306-过滤器；307-蓄能器；308-静压轴承供油节流器；309-高压过滤器；310-空气滤清器；311-液位计；312-加热器；313-冷却器；314-液压传感器；315-温度传感器；316-截止阀；317-压力表。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

本发明实施例的一种模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置，在加载装置的加载承载盘的左端沿轴向分布一组左轴向加载增压缸，在加载承载盘的右端沿轴向分布一组右轴向加载增压缸，同时在加载承载盘左端的主轴上沿径向分布一组径向加载增压缸，通过计算机控制系统控制液压系统提供的加载回路以控制左轴向加载增压缸、右轴向加载增压缸和径向加载增压缸的加载力，同时加载力由加载增压缸传递给静压轴承，并由静压轴承的静压油膜传递给静压承载盘，通过各加载力和加载弯矩的组合，完成5自由度载荷(F_x，F_y，F_z，M_y，M_z)的加载。参见图1，模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置的轮毂坐标系和其所受的5自由度的加载力和加载的弯矩分布和方向情况，其中坐标系定义为：X轴为沿主轴方向，指向下风向或下海流方向；Y轴为与主轴轴线垂直，构成右手坐标系；Z轴为与主轴轴线垂直，在经过主轴轴线的垂直平面内；F_x表示X轴正方向的加载力；F_y表示Y轴正方向的加载力；F_z表示Z轴正方向的加载力；M_y表示倾覆弯矩；M_z表示偏航弯矩。

参照附图2所示，为本发明实施例的一种模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置具体应用实例的结构示意图，其中，上壳体1和下壳体3用于对加载增压缸的支撑和固定，并承受加载的动态反力作用，底座4用于对上壳体1、下壳体3和相关结构件的支撑和固定，被试件5为实验和加载力作用的对象，左轴向加载增压缸6，右轴向加载增压缸8，径向加载增压缸2实现不同方向和角度的加载作用，联轴器9用于驱动装置的伸出轴和加载承载盘的连接，驱动装置10用于实现主传动轴的驱动和加载扭矩M_x的实现，静压轴承11用于加载力的承载并传递到加载承载盘上7。在加载装置的加载承载盘7的左端沿轴向分布8个左轴向加载增压缸6，具体为左轴向加载增压缸6.1～6.8，在加载承载盘的右端沿轴向分布8个右轴向加载增压缸8，具体为右轴向加载增压缸8.1～8.8，同时在加载承载盘左端的主轴上沿径向分布8个径向加载增压缸2，具体为径向加载增压缸2.1～2.8，通过计算机控制系统控制液压系统提供的加载回路以控制左轴向加载增压缸6、右轴向加载增压缸8和径向加载增压缸2的加载力，同时加载力由加载增压缸传递给静压轴承11，并由静压轴承11的静压油膜传递给加载承载盘7，通过各加载力和加载弯矩的组合，完成5自由度载荷(F_x，F_y，F_z，M_y，M_z)的加载。计算机控制系统精确控制各加载增压缸的加载力，使得沿着轴向和径向均布的加载增压缸动作，构成不同工况下，加载力和加载的弯矩的组合合成，从而模拟真实工况下风力及海流发电装置所受的载荷。

具体地，各工况的各自由度加载的实现原理为：

X轴左轴向的加载力实现，左轴向加载增压缸6.1～6.8同时动作，X轴左轴向的加载力为该8力的矢量和。

X轴右轴向的加载力实现，右轴向加载增压缸8.1～8.8同时动作，X轴右轴向的加载力为该8力的矢量和。

Y轴正方向的加载力实现，径向加载增压缸2.2～2.4同时动作，Y轴正方向的加载力为该3力的矢量和。

Y轴负方向的加载力实现，径向加载增压缸2.6～2.8同时动作，Y轴负方向的加载力为该3力的矢量和。

Z轴正方向的加载力实现，径向加载增压缸2.4～2.6同时动作，Z轴正方向的加载力为该3力的矢量和。

Z轴负方向的加载力实现，径向加载增压缸2.1，2.2，2.8同时动作，Z轴正方向的加载力为该3力的矢量和。

倾覆弯矩M_Y加载实现，左轴向加载增压缸6.1，6.2，6.8，6.4，6.5，6.6，径向加载增压缸2.1，2.2，2.8同时动作，倾覆弯矩M_Y为该9液压缸的输出加载力对弯矩中心的弯矩矢在同一平面内的合成。

偏航弯矩M_Z加载实现，左轴向加载增压缸6.2，6.3，6.4，6.6，6.7，6.8，径向加载增压缸2.2，2.3，2.4同时动作，倾覆弯矩M_Z为该9液压缸的输出加载力对弯矩中心的弯矩矢在同一平面内的合成。

主轴扭矩M_X为通过驱动装置10调节控制实现，不需要通过动力加载系统实现，因而本加载装置为5自由度动力加载装置。

参见图3至图7，图3为左轴向加载增压缸6.1～6.8加载回路的液压控制系统原理图，通过左轴向加载回路的作用可以实现左轴向加载力的加载；图4为右轴向加载增压缸8.1～8.8加载回路的液压控制系统原理图，通过右轴向加载回路的作用可以实现右轴向加载力的加载；图5为径向加载增压缸2.1～2.8加载回路的液压控制系统原理图，通过径向加载回路的作用可以实现径向加载力的加载；图6为图3，图4，图5所示各加载回路中的典型单加载增压缸的加载回路原理图，即，各加载回路均由图6所示的单加载增压缸的加载回路组合而成，图7为本发明实施例的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置的静压轴承供油系统原理图，通过径向加载回路可实现8路同时加载，左右轴向加载回路可以实现16路同时加载，加载回路的各加载油缸分别由相应的电液比例换向阀独立进行调节；同时多液压油泵并联组合，可实现系统15级压力，流量可调节，可交替向系统供油，有利于开停泵选速，提高工作效率和液压系统使用寿命。

参照图6所示，一种模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置典型的单加载增压缸加载回路的结构示意图，加载回路包括油箱100、液压油泵203、联轴器202、电动机201、高压过滤器204、溢流阀206、单向阀205、限压式进口减压型定压差压力补偿器207、电液比例换向阀208、液压锁209和压力与温度传感器组211，电动机201通过联轴器202带动液压油泵203旋转，液压油泵203通过吸油管路从油箱吸油后，将液压油压向主油管路，油液经过高压过滤器204、溢流阀206、单向阀205、限压式进口减压型定压差压力补偿器207，电液比例换向阀208，液压锁209后到达加载增压缸200，通过加载增压缸200的作用，给予加载承载盘7加载力和加载弯矩，当给予电液比例换向阀208施加指令电压信号时，电液比例换向阀208通过改变阀芯位移，改变液压油流向，实现加载增压缸200运动方向的控制，同时控制进入加载增压缸200的油液量，实现加载增压缸200的输出加载力的连续调节，同时压力与温度传感器组211检测到加载力后，反馈电压信号到控制系统，并与指令电压信号相比较，得出偏差电压信号，偏差电压信号经过比例放大器后输入到电液比例换向阀，使之产生压力差信号，并作用于加载增压缸活塞上，使得输出的压力差向着误差减小的方向变化，直至输出力等于指令信号所规定的值为止，稳态情况下输出力与偏差电压信号成正比。其工作原理为：

空载启动液压油泵电机201，液压油泵203启动，液压油泵203输出油液经过高压过滤器204，单向阀205，供给系统工作液压油。

电液比例换向阀208左位工作时，实现加载，该工况下，

进油路为：液压油泵203，单向阀205，高压过滤器204，电液比例换向阀208左位，液压锁209左位，加载增压缸200无杆腔进油，输出加载力；

回油路为：加载增压缸200有杆腔，液压锁209右位，电液比例换向阀208，回油箱100。

电液比例换向阀208右位工作时，实现卸载，加载力通过单出杆液压缸弹簧实现连续卸载，该工况下，

进油路为：液压油泵203，单向阀205，高压过滤器204，电液比例换向阀208右位，液压锁209右位，加载增压缸有杆腔进油，油缸卸载；

回油路为：加载增压缸200无杆腔，液压锁209左位，电液比例换向阀208回油箱。

电液比例换向阀208失电时，回路通过液压锁保压。

加载过程中，加载力通过静压轴承内设置的压力与温度传感器组211检测，并反馈回计算机控制系统，并通过工控机和软件编程实现加载力程序和同步协调控制。当活塞杆伸出时，电液比例换向阀208停留在中位，可对系统进行检修操作。

液压控制系统实现压力的电气保护，压力继电器215发讯并声光报警时，提示液压系统压力过高或液压油泵工作异常，提请检修；多个增压缸同步加载，实现加载力的同步比例放大，并采用计算机实现协调控制；采用限压式进口减压型定压差压力207补偿控制，保证了电液比例换向阀208工作在恒定压差状态，并且不受外负载变化的影响，有利于对实现加载增压缸的控制；加载增压缸采用单向压差补油回路，使得液压系统的结构和工作性能更加紧凑和可靠。

参见图7，所示为静压轴承的供油回路结构示意图，静压轴承供油回路包括油箱100、溢流阀301，电动机302，连轴器303，液压油泵304，单向阀305、过滤器306、蓄能器307和静压轴承供油节流器308，电动机302通过联轴器303带动液压油泵304旋转，液压油泵304通过吸油管路吸油后，将液压油压向主油管路，油液经过单向阀306，截止阀316，过滤器306，静压轴承供油节流器308给予静压轴承供油，静压轴承供油回路采用定压供油方式，静压轴承11的承载能力满足加载要求，同时采用液压油泵供油，由溢流阀调整系统压力，系统中安装有检测流量的流量计，静压轴承供油节流器308的三输出口308.1，308.2和308.3分别与三静压轴承两对置油腔的进油口相连接，系统正常工作时，静压轴承供油系统的压力要高于动力加载部分的系统压力。油箱100放置于低于地平面的地坑中，从静压轴承中流出的液压油依靠自重，通过回油管流回油箱，油箱100用于盛放并提供给系统液压油，并散热，冷却和沉淀污染物，杂质等，空气滤清器310安装在油箱100顶盖上并兼做注油口，液位计311安装在油箱100侧面，用于显示油箱液位高度，加热器312和冷却器313可以根据系统温升情况，环境温度情况，对油箱100温度进行调节，温度传感器315用于检测油箱100温度情况，油箱100部分采用电气控制，当油箱滤油器堵塞，液压传感器314检测油箱液位，油箱液位过高或过低，即有声光报警，提请检修，高压过滤器309用于在高压时，对油液中的杂质和污物的过滤和清除，压力表317用于测量液压油路的压力，并可以由人工直接读出。

参照图8所示，一种模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置的计算机控制系统主要由：监控管理计算机401，协调加载控制器402，液压控制系统403，加载增压缸组404，加载承载盘405，数据同步动态采集器组406，状态监测器组407和传感与变送器组408，监控管理计算机401主要完成动力加载装置的加载谱的定义、系统各个部分的状态显示、试验过程的监控管理，采集数据的处理和保存；协调加载控制器402接受来自监控管理计算机的指令信号。通过将指令信号与传感与变送器组408的反馈信号进行比较，其偏差值经控制算法解算并经过信号放大后发送给液压控制系统403，液压控制系统403控制加载执行器组的动作，从而对加载承载盘405施加加载力。同时，协调加载控制，402将现场的监测信息、故障信息、控制信息实时上传给监控管理计算机401。数据同步动态采集器组406，状态监测器组407，传感与变送器组408等主要完成数据的实时采集，调理，滤波，放大以及状态的监控等功能。加载增压缸组404主要完成加载力的加载。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置，其特征在于，在所述加载装置的加载承载盘的左端沿轴向分布一组左轴向加载增压缸，在所述加载承载盘的右端沿轴向分布一组右轴向加载增压缸，同时在所述加载承载盘左端的主轴上沿径向分布一组径向加载增压缸，通过计算机控制系统控制液压系统提供的加载回路以控制所述左轴向加载增压缸、右轴向加载增压缸和径向加载增压缸的加载力，同时所述加载力由加载增压缸传递给静压轴承，并由所述静压轴承的静压油膜传递给所述静压承载盘，通过各加载力和加载弯矩的组合，完成5自由度载荷(F_x，F_y，F_z，M_y，M_z)的加载，其中所述5自由度载荷的坐标系定义为，X轴为沿主轴方向，指向下海流方向；Y轴为与主轴轴线垂直，构成右手坐标系；Z轴为与主轴轴线垂直，在经过主轴轴线的垂直平面内；F_x表示X轴正方向的加载力；F_y表示Y轴正方向的加载力；F_z表示Z轴正方向的加载力；表示倾覆弯矩；M_z表示偏航弯矩。

2.根据权利要求1所述的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置，其特征在于，所述加载回路包括油箱、液压油泵、联轴器、电动机、高压过滤器、溢流阀、单向阀、限压式进口减压型定压差压力补偿器、电液比例换向阀、液压锁和压力传感器，电动机通过联轴器带动液压油泵旋转，液压油泵通过吸油管路从油箱吸油后，将液压油压向主油管路，油液经过高压过滤器、溢流阀、单向阀、限压式进口减压型定压差压力补偿器，电液比例换向阀，液压锁后到达加载增压缸，通过加载增压缸的作用，给予加载承载盘加载力和加载弯矩，当给予电液比例换向阀施加指令电压信号时，电液比例换向阀通过改变阀芯位移，改变液压油流向，实现所述加载增压缸运动方向的控制，同时控制进入加载增压缸的油液量，实现所述加载增压缸的输出加载力的连续调节，同时压力传感器检测到加载力后，反馈电压信号到控制系统，并与指令电压信号相比较，得出偏差电压信号，偏差电压信号经过所述比例放大器后输入到电液比例换向阀，使之产生压力差信号，并作用于加载增压缸活塞上，使得输出的压力差向着误差减小的方向变化，直至输出力等于指令信号所规定的值为止，稳态情况下输出力与偏差电压信号成正比。

3.根据权利要求1所述的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置，其特征在于，所述静压轴承由静压轴承供油回路供油，所述静压轴承供油回路包括油箱、溢流阀，电动机，连轴器，液压油泵，单向阀、过滤器、蓄能器和静压轴承供油节流器，电动机通过联轴器带动液压油泵旋转，液压油泵通过吸油管路吸油后，将液压油压向主油管路，油液经过单向阀，截止阀，过滤器，静压轴承供油节流器给予静压轴承供油，静压轴承供油回路采用定压供油方式，静压轴承的承载能力满足加载要求，同时采用液压油泵供油，由溢流阀调整系统压力，静压轴承供油节流器的三输出口分别与三静压轴承两对置油腔的进油口相连接。

4.根据权利要求1所述的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置，其特征在于，所述计算机控制系统包括监控管理计算机、协调加载控制器、液压控制系统、加载执行器组、加载承载盘、数据同步动态采集器组、状态监测器组和传感与变送器组，

所述监控管理计算机用于完成加载系统的加载谱的定义、系统各个部分的状态显示、试验过程的监控管理，采集数据的处理和保存，发送指令信号；

所述协调加载控制器用于接受来自监控管理计算机的指令信号，通过将指令信号与传感与变送器组的反馈信号进行比较，其偏差值经控制算法解算并经过信号放大后发送给液压控制系统，液压控制系统控制加载执行器组的动作，从而对加载承载盘施加加载力，同时用于将现场的监测信息、故障信息、控制信息实时上传给监控管理计算机；

所述数据同步动态采集器组，状态监测器组和传感与变送器组用于完成数据的实时采集，调理，滤波，放大以及状态的监控；

所述加载执行器组用于完成加载力和弯矩的加载。

5.根据权利要求1所述的模拟风力及海流载荷的多自由度动力加载装置，其特征在于，所述一组左轴向加载增压缸至少包括8个加载增压缸，所述一组右轴向加载增压缸至少包括8个加载增压缸，所述一组径向加载增压缸至少包括8个径向加载增压缸。

Images