CN106088169B - 用于海上风机基础室内试验研究的多自由度循环加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海上风机基础室内试验研究的多自由度循环加载装置，该装置利用动滑轮和定滑轮组成滑轮系统，结合循环步进电机、弹簧基座以及特殊设计的模型箱、钢框架和法兰盘，通过控制循环步进电机的移动距离和移动速度可以实现任意周期和任何形式的循环加载。此外，改变钢框架与模型箱的连接位置，转动法兰盘，同时利用控制基座底部的万向轮，可以实现任意角度的循环加载。本发明易于加工安组装，具有较高的经济性和实用性，可以应用于海上风机基础的室内模型试验研究。

Description

用于海上风机基础室内试验研究的多自由度循环加载装置

技术领域

本发明涉及海上风机基础室内试验多自由度循环加载装置技术领域，尤其涉及一种用于海上风机基础室内试验研究的多自由度循环加载装置。

背景技术

与传统能源相比，风能是一种清洁的可再生能源，没有燃料风险，发电成本稳定，没有碳排放等环境成本，既可并网运行，也可离网独立运行。与陆上风电相比，海上风电具有资源储量大、高风速、低风切变、低湍流、环境噪音污染小和不占用耕地等优势，而成为近些年风电开发的重点。我国海上风能资源非常丰富，预计达7.5亿千瓦，是陆地风能资源的3倍，因而大力发展海上风能，对于改善我国能源结构、节约土地及实现经济和社会的可持续发展具有重要意义。而海上风机由于工作环境相对比较特殊，在风、波浪、海流的作用下，海上风机基础在服役期内长期受到往复循环荷载作用；而由于风、浪、流方向的随机性使得基础的循环荷载表现为多自由度特性。而海上风机对于基础的累积变形有严格要求，根据DNV规范要求海上风机服役期的累积变形不得超过0.25°，我国规范更要求低于0.17°。而目前国内外对于海上风机基础在多自由度下的循环响应研究十分有限，仅有的研究大多控制装置十分复杂，试验控制效果也不理想。因此，开发一套经济、实用和操作简单的多自由度循环加载系统，对认清海上风机基础的循环响应，改善基础设计方案，提高基础设计的经济性具有重要意义。

发明内容

本发明首旨在提供一种海上风机基础室内试验多自由度循环加载装置，其操作简单，实用性较强，且成本较低，能够满足室内试验研究的需要。

本发明的目的是这样实现的：一种用于海上风机基础室内试验研究的多自由度循环加载装置，包括圆形模型箱、钢框架、第一定滑轮、第二定滑轮、第三定滑轮、法兰盘、第一载物台、第二载物台、第三载物台、动滑轮、弹簧基座、循环步进电机、控制基座、第一钢绞线、第二钢绞线、第三钢绞线；

所述钢框架与圆形模型箱顶部螺栓连接，第一定滑轮和第二定滑轮分别固定在钢框架的两端，法兰盘位于钢框架的正上方；控制基座位于圆形模型箱的一侧，底部安装有自锁式万向轮，第三定滑轮固定在控制基座顶部的一端，循环步进电机安装在顶部的另一端。

第一钢绞线一端与法兰盘的一侧相连，另一端绕过第一定滑轮，与第一载物台相连；第二钢绞线一端与法兰盘的另一侧相连，另一端绕过第二定滑轮，与第二载物台上端相连；第三钢绞线一端与第二载物台下端相连，另一端依次绕过动滑轮、第三定滑轮，与循环步进电机相连；所述第三载物台顶端与动滑轮中心轴相连，底端与弹簧基座相连。

进一步地，还包括安装在第二钢绞线上的轴力计。

本发明的有益效果在于：

本发明利用简单的滑轮组，配合弹簧基座、质量块和循环步进电机，可以实现任意形式和周期下的循环加载；利用圆形模型箱顶部均匀布置的螺纹孔和控制系做下方的万向轮，还可以实现多自由度的循环加载。相比于目前普遍采用的离心加载装置和伺服加载系统，本装置设计原理简单，易于加工组装，荷载控制精确，具有较高的实用性和经济性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为0°加载方向整体俯视图；

图3为30°加载方向整体俯视图；

图4为典型荷载形式示意图；

图中，圆形模型箱1、钢框架2、第一定滑轮31、第二定滑轮32、第三定滑轮12、法兰盘11、第一载物台51、第二载物台52、第三载物台53、动滑轮6、弹簧基座7、循环步进电机8、控制基座9、自锁式万向轮10、第一钢绞线41、第二钢绞线42、第三钢绞线43、轴力计13。

具体实施方式：

如图1和2所示，本发明一种用于海上风机基础室内试验研究的多自由度循环加载装置，包括圆形模型箱1、钢框架2、第一定滑轮31、第二定滑轮32、第三定滑轮12、法兰盘11、第一载物台51、第二载物台52、第三载物台53、动滑轮6、弹簧基座7、循环步进电机8、控制基座9、第一钢绞线41、第二钢绞线42、第三钢绞线43；

所述钢框架与圆形模型箱顶部螺栓连接，图中,所述圆形模型箱1顶部均匀开有12个螺孔，钢框架2与圆形模型箱1顶部的两个螺孔通过螺栓连接，通过改变钢框架2与圆形模型箱1之间连接的螺纹位置，可以实现360°任意方向的循环加载；第一定滑轮31和第二定滑轮32分别固定在钢框架2的两端，通过两个定滑轮可以直接将第一载物台51和第二载物台52上的重力转化为水平力作用在试验基础上；法兰盘11位于钢框架2的正上方，法兰盘11可以拆卸和旋转，将钢绞线固定在法兰盘11上，从而对试验基础施加荷载，转动法兰盘11又可以实现多自由度加载；控制基座9位于圆形模型箱1的一侧，底部安装有自锁式万向轮10，万向轮10沿着360°任意方向移动，同时可以锁死固定，从而实现多自由度加载；第三定滑轮12固定在控制基座9顶部的一端，循环步进电机8安装在顶部的另一端，循环步进电机8可以在指定移动距离内，设定任意的移动速度，从而实现任意周期的循环运动。

第一钢绞线41一端与法兰盘11的一侧相连，另一端绕过第一定滑轮31，与第一载物台51相连；第二钢绞线42一端与法兰盘11的另一侧相连，另一端绕过第二定滑轮32，与第二载物台52上端相连；第三钢绞线43一端与第二载物台52下端相连，另一端依次绕过动滑轮6、第三定滑轮12，与循环步进电机8相连；所述第三载物台53顶端与动滑轮6中心轴相连，底端与弹簧基座7相连。

本发明的加载原理如下：

如图1所示，根据力的平衡条件：

其中：m1，m2分别为两侧载物台的载重，x为循环步进电机移动距离，k为弹簧基座刚度。通过设定电机的移动速度v和移动距离L，可以得到：

x＝vt

其中：v为电机运动的速度，L为设定电机移动的距离，T为循环加载周期。根据上式可知：

当m₁＝m₂时，作用在基础上的荷载为单向循环荷载；

当m₁＜m₂时，作用在基础上的荷载为双向循环荷载；通过改变电机行进速度v的函数形式，如三角函数、线性函数，可以实现任意形式的荷载工况，如图4所示。

加载过程包括以下步骤：

1)选定试验荷载形式，根据试验荷载确定载物台上重块的质量分布以及循环步进电机的移动距离、移动速度和速度的函数形式；

2)确定循环加载方向，使用螺栓将钢框架按指定角度固定在圆形模型箱上，根据试验要求方向，利用万向轮调整控制基座位置，确定位置后锁死万向轮；

3)将法兰盘安装在试验基础上，利用钢绞线将载物台、试验基础以及循环步进电机连接成一个系统，准备开始试验；

4)安装轴力计，同时、根据试验具体需要可安装相应的其他传感器，如位移传感器、加速度传感器、孔压传感器等等；

5)开启循环步进电机，进行循环加载；

6)根据试验需求，完成相应的循环次数(如10000次)加载后，改变钢框架固定位置，转动法盘，移动弹簧基座和控制基座，进行其他方向加循环加载。

Claims (2)

1.一种用于海上风机基础室内试验研究的多自由度循环加载装置，其特征在于，包括圆形模型箱（1）、钢框架（2）、第一定滑轮（31）、第二定滑轮（32）、第三定滑轮（12）、法兰盘（11）、第一载物台（51）、第二载物台（52）、第三载物台（53）、动滑轮（6）、弹簧基座（7）、循环步进电机（8）、控制基座（9）、第一钢绞线（41）、第二钢绞线（42）、第三钢绞线（43）；

钢框架（2）两端与圆形模型箱（1）顶部螺栓连接，通过改变钢框架（2）与圆形模型箱（1）之间连接的螺纹位置，可以实现360°任意方向的循环加载；第一定滑轮（31）和第二定滑轮（32）分别固定在钢框架（2）的两端，法兰盘（11）位于钢框架（2）的正上方；控制基座（9）位于圆形模型箱（1）的一侧，底部安装有自锁式万向轮（10），第三定滑轮（12）固定在控制基座（9）顶部的一端，循环步进电机（8）安装在顶部的另一端；

第一钢绞线（41）一端与法兰盘（11）的一侧相连，另一端绕过第一定滑轮（31），与第一载物台（51）相连；第二钢绞线（42）一端与法兰盘（11）的另一侧相连，另一端绕过第二定滑轮（32），与第二载物台（52）上端相连；第三钢绞线（43）一端与第二载物台（52）下端相连，另一端依次绕过动滑轮（6）、第三定滑轮（12），与循环步进电机（8）相连；所述第三载物台（53）顶端与动滑轮（6）中心轴相连，底端与弹簧基座（7）相连。

2.根据权利要求1所述的多自由度循环加载装置，其特征在于，还包括安装在第二钢绞线（42）上的轴力计（13）。