CN106289683A - 一种适用于风电叶片的疲劳加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，包括：装夹在所述风电叶片试验部位的叶片夹具和位于所述叶片夹具正下方的加载机构，其中，该加载机构包含：衔铁芯棒，由一双万向铰连接至所述叶片夹具的底部；螺旋管线圈，轴向套装在所述衔铁芯棒的外围并与外部控制电路连接；以及底座，用于支撑并固定所述螺旋管线圈；其中，所述螺旋管线圈驱动所述衔铁芯棒轴向往复移动。控制电路只需以接近风电叶片振动的固有频率的脉冲电流频率对衔铁芯棒施加作用力，即可使风电叶片产生共振，从而可节约加载能量。此种结构的疲劳加载试验装置省略传动部件，具有结构简单、转换效率高的优点，并且，还可消除因加载装置自重对疲劳加载试验的影响。

Description

一种适用于风电叶片的疲劳加载试验装置

技术领域

本发明涉及疲劳加载试验技术领域，具体是涉及一种适用于风电叶片的疲劳加载试验装置。

背景技术

风力发电是一种运用风力发电机组把风的动能转变成机械能，再把机械转化为电力动能的技术，而风力发电机组的风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，风轮通常由数根具有螺旋面的叶片组成。当风吹向叶片时，叶片上产生气动力驱动风轮转动。因而，叶片的翼型设计和结构形式会直接影响风力发电机组的性能和功率。

由于叶片是直接与空气接触的，因此，叶片所用材料将直接影响它的寿命。为确保在野外极其恶劣的环境中能够长期地安全运行，对叶片材料提出了密度小、抗疲劳强度高、力学性能优越的要求。为了测试叶片在整个生命周期内的可靠性，通常需要对叶片进行疲劳加载试验。

风电叶片的现有加载装置及其加载方式有以下几种：

第一种，采用作动器强制加载方式。其中，图1为背景技术中以作动器作强制加载的疲劳加载试验装置的立体图。如图1所示，该试验方式为：被试叶片200横向固定于加载试验支座上，在被试叶片200的某个截面上安装叶片夹具401，在叶片夹具401上安装有液压作动器402，液压作动器402以大地为支点对叶片200的某个截面施加一垂直方向的载荷。这种利用作动器402对叶片200进行强制往复疲劳加载运动的装置能耗较大，且加载装置结构较复杂。

第二种，采用液压惯性加载方式。其中，图2为背景技术中以液压惯性作加载的疲劳加载试验装置的立体图。如图2所示，该试验方式为：被试叶片200横向固定于加载试验支座上，在被试叶片200的某个截面上安装叶片夹具501，在叶片夹具501上部安装有液压惯性加载装置502，通过其中的液压缸503带动质量块504作垂直往复运动，其往复频率与叶片200的固有频率基本一致，依靠质量块504往复运动的惯性力对叶片200进行共振加载。这种加载方式虽然是对叶片进行自由激振加载，但其中液压缸的往复运动需要依靠电液伺服系统得以实现，而电液伺服系统结构复杂，控制要求高，能耗大，效率低（电液伺服系统的最大理论有效效率仅为38.5%），且由于该装置涉及驱动电机、泵、阀、缸、蓄能器等诸多元器件，这些元器件本身的疲劳寿命会影响叶片疲劳加载试验的可靠性。

第三种，采用旋转偏心质量块加载方式。其中，图3为背景技术中以旋转偏心质量块作加载的疲劳加载试验装置的立体图。如图3所示，该加载方式为：在被试叶片200的某个截面上安装叶片夹具601，在叶片夹具601的上部安装有旋转偏心质量块加载装置602，该旋转偏心质量块加载装置602的电机603驱动减速机604，其输出轴605带动旋转臂606作旋转运动，旋转臂606的另一端固定有质量块607，其旋转频率与叶片的固有频率基本一致，质量块607旋转产生离心力对叶片200进行自由振动加载。

相对于第一种强制加载方式存在的加载耗能大问题；第二种和第三种加载方式虽然能够使叶片产生共振，节约能耗，但这些加载方式均需设置比较复杂的传动系统，不但加载装置自身存在疲劳磨损的问题，而且安装在叶片上的加载装置的自重也将影响加载试验效果，对于大型、超大型叶片而言，影响尤为突出。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，旨在避免因转换效率影响风电叶片的疲劳加载试验可靠性，并提高能量利用率。

具体技术方案如下：

一种适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，具有这样的特征，包括：装夹在风电叶片试验部位的叶片夹具和位于叶片夹具正下方的加载机构，其中，加载机构包含：衔铁芯棒，由一双万向铰连接至叶片夹具的底部；螺旋管线圈，轴向套装在衔铁芯棒的外围并与外部控制电路连接；以及底座，用于支撑并固定螺旋管线圈；并且，螺旋管线圈驱动衔铁芯棒轴向往复移动。

进一步地，在本发明提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置中，还可以具有这样的特征：叶片夹具包含：开设有仿形孔的夹持体，套装在夹持体外部的框架，以及位于框架底部的横杆。

进一步地，在本发明提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置中，还可以具有这样的特征：双万向铰的上端固定在横杆的中间位置，并且，双万向铰的下端与衔铁芯棒连接。

进一步地，在本发明提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置中，还可以具有这样的特征：衔铁芯棒与螺旋管线圈之间具有间隙。

进一步地，在本发明提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置中，还可以具有这样的特征：间隙的宽度为1毫米至2毫米。

进一步地，在本发明提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置中，还可以具有这样的特征：衔铁芯棒的两端分别套装一直线导向轴承。

进一步地，在本发明提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置中，还可以具有这样的特征：夹持体由第一夹板和第二夹板拼接形成。

进一步地，在本发明提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置中，还可以具有这样的特征：第一夹板和第二夹板均为木质夹板。

进一步地，在本发明提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置中，还可以具有这样的特征：框架由数根钢制型材搭接形成。

上述技术方案的积极效果是：

采用与控制电路连接的螺旋管线圈产生施加于衔铁芯棒的电磁作用力，从而驱动衔铁芯棒轴向往复移动，并且，衔铁芯棒在轴向往复移动的同时，对风电叶片进行疲劳加载。通过调节螺旋管线圈中脉冲电流的大小、频率、以及时间以调整对风电叶片加载的作用时间和作用力，实现对风电叶片进行加载的规律控制。控制电路只需以接近风电叶片振动的固有频率的脉冲电流频率对衔铁芯棒施加作用力，即可使风电叶片产生共振，从而可节约加载能量。此种结构的疲劳加载试验装置省略传动部件，具有结构简单、转换效率高的优点，有利于提高疲劳加载试验的可靠性和能量利用率；并且，加载装置与风电叶片分离，基本消除了加载装置自重对风电叶片的加载效果影响。

此外，上述技术方案中，衔铁芯棒的两端分别套装一直线导向轴承，并且，衔铁芯棒与叶片夹具的横杆之间采用双万向铰连接，此种结构能够补偿风电叶片因往复振动产生的纵向或横向位移，确保衔铁芯棒在螺旋管线圈中能够沿轴向顺畅地往复移动。

另外，上述技术方案中，针对不同的安装位置和安装方式，可任意实现竖向加载，或横向加载，或竖向、横向复合加载，或单点加载，或多点同步加载等方式。

附图说明

图1为背景技术中以作动器作强制加载的疲劳加载试验装置的立体图；

图2为背景技术中以液压惯性作加载的疲劳加载试验装置的立体图；

图3为背景技术中以旋转偏心质量块作加载的疲劳加载试验装置的立体图；

图4为本发明的实施例中提供的风电叶片进行疲劳加载试验的安装示意图；

图5为本发明提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置的立体图；

图6为图5中字母A部分的放大图。

图中，100为疲劳加载试验装置；1为叶片夹具；11为夹持体；11a为第一夹板；11b为第二夹板；12为框架；13为横杆； 2为加载机构； 21为衔铁芯棒；22为螺旋管线圈；23为直线导向轴承；24为底座；3为双万向铰；200为风电叶片；300为加载试验支座。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图4至3对本发明提供的技术方案作具体阐述。

实施例提供的疲劳加载试验装置适用于风电叶片。图4为本发明的实施例中提供的风电叶片进行疲劳加载试验的安装示意图。如图4所示，风电叶片200横向固定于加载试验支座300上，疲劳加载试验装置100可对风电叶片200的任一横截面位置进行疲劳加载。

图5为本发明提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置的立体图。如图5所示，疲劳加载试验装置100包括叶片夹具1和加载机构2。

具体的，叶片夹具装夹在风电叶片的疲劳加载试验部位，叶片夹具1包含：夹持体11、框架12、以及横杆13。其中，夹持体11开设有与风电叶片200疲劳加载试验部位的横截面相吻合的仿形孔，作为优选的技术方案，夹持体11由第一夹板11a和第二夹板11b拼接形成，并且，第一夹板11a和第二夹板11b均为木质夹板。框架12套装在夹持体11的外部，并且，为了提高叶片夹具1的结构强度，框架12由数根钢制型材搭接形成。横杆13位于框架12的底部。

图6为图5中字母A部分的放大图。 如图5和图6所示，加载机构2位于叶片夹具1的正下方。在本实施例中，加载机构2包含衔铁芯棒21、螺旋管线圈22、以及底座24。其中，衔铁芯棒21由一双万向铰3连接至叶片夹具1的底部。具体的，双万向铰3的上端固定在横杆13的中间位置，并且，双万向铰3的下端与衔铁芯棒21螺纹连接。双万向铰3可补偿风电叶片200因往复振动产生的纵向或横向位移，确保衔铁芯棒21始终在螺旋管线圈中沿轴向往复移动。

其中，螺旋管线圈22轴向套装在衔铁芯棒21的外围并与外部控制电路连接。底座24用于支撑并固定螺旋管线圈22，从而克服螺旋管线圈22因受到的电磁力而发生轴向移动。 另外，控制电路发出的脉冲电流促使螺旋管线圈22产生施加于衔铁芯棒21的电磁作用力，从而驱动衔铁芯棒21轴向往复移动。并且，衔铁芯棒21在轴向往复移动的同时，对风电叶片200进行疲劳加载。当然，根据螺旋管线圈22的电磁极性，施加于衔铁芯棒21的电磁作用力既可以是拉力，也可以是推力。

通过调节脉冲电流的大小、频率、以及时间以调整对风电叶片200加载的作用时间和作用力，实现对风电叶片200进行疲劳加载的规律控制。控制电路只需以接近风电叶片200振动的固有频率的脉冲电流频率对衔铁芯棒21施加作用力时，能够使风电叶片200产生共振，从而可节约加载能量。

为了使贯穿螺旋管线圈22的衔铁芯棒21能够顺畅地往复运动，衔铁芯棒21与螺旋管线圈22之间设置有间隙，作为优选的技术方案，间隙通常为1毫米至2毫米，并且，为了能够始终保证间隙的宽度的稳定性，衔铁芯棒21的两端分别套装一直线导向轴承23。即由直线导向轴承23为衔铁芯棒21的往复移动提供导向作用。

在本实施例提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置中，采用通电的螺旋管线圈产生施加于衔铁芯棒的电磁作用力，从而驱动衔铁芯棒轴向往复移动。并且，衔铁芯棒在轴向往复移动的同时，对风电叶片进行疲劳加载。通过调节螺旋管线圈中脉冲电流的大小、频率、以及时间以调整对风电叶片加载的作用时间和作用力，实现对风电叶片进行疲劳加载的规律控制。此种结构的疲劳加载试验装置省略传动部件，具有结构简单、转换效率高的优点，有利于提高疲劳加载试验的可靠性和能量利用率；并且，加载装置与风电叶片分离，基本消除了加载装置自重对风电叶片的加载效果影响。

此外，在本实施例提供的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置中，衔铁芯棒的两端分别套装一直线导向轴承，并且，衔铁芯棒与叶片夹具的横杆之间采用双万向铰连接，此种结构能够补偿风电叶片因往复振动产生的纵向或横向位移，确保衔铁芯棒能够在螺旋管线圈中沿轴向顺畅地往复移动。

另外，在本实施例中，采用疲劳加载试验装置对风电叶片进行竖向加载。当然，本发明提供的疲劳加载试验装置还可以进行横向加载，或竖向、横向复合加载，或单点加载，或多点同步加载等方式。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，包括：装夹在所述风电叶片试验部位的叶片夹具和位于所述叶片夹具正下方的加载机构，其特征在于，

其中，所述加载机构包含：衔铁芯棒，由一双万向铰连接至所述叶片夹具的底部；

螺旋管线圈，轴向套装在所述衔铁芯棒的外围并与外部控制电路连接；以及

底座，用于支撑并固定所述螺旋管线圈；

并且，所述螺旋管线圈驱动所述衔铁芯棒轴向往复移动。

2.根据权利要求1所述的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，其特征在于，所述叶片夹具包含：开设有仿形孔的夹持体，套装在所述夹持体外部的框架，以及位于所述框架底部的横杆。

3.根据权利要求2所述的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，其特征在于，所述双万向铰的上端固定在所述横杆的中间位置，并且，所述双万向铰的下端与所述衔铁芯棒螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，其特征在于，所述衔铁芯棒与所述螺旋管线圈之间具有间隙。

5.根据权利要求4所述的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，其特征在于，所述间隙的宽度为1毫米至2毫米。

6.根据权利要求5所述的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，其特征在于，所述衔铁芯棒的两端分别套装一直线导向轴承。

7.根据权利要求2所述的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，其特征在于，所述夹持体由第一夹板和第二夹板拼接形成。

8.根据权利要求7所述的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，其特征在于，所述第一夹板和所述第二夹板均为木质夹板。

9.根据权利要求2所述的适用于风电叶片的疲劳加载试验装置，其特征在于，所述框架由数根钢制型材搭接形成。