CN106289783A - 复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台及液压加载策略 - Google Patents

复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台及液压加载策略 Download PDF

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Abstract

复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台，包括驱动电机，驱动电机的输出轴连接减速箱，减速箱的输出轴通过联轴器连接加载装置的传动轴，加载装置的传动轴与风电机组的主轴固定连接，所述驱动电机上固定有用于模拟风涡轮的转动惯量的配重块；所述加载装置包括箱体、位于箱体内的推力盘、可转动地穿设在推力盘中心的传动轴、加载在推力盘上的24个加载单元，所述箱体和推力盘之间连接有阻止推力盘转动的止动机构，所述箱体与地面固定。本发明还公开了上述液压加载试验台的液压加载策略。本发明可复现风涡轮真实工作时受到的6自由度载荷，不需要大型静压轴承和配套的大型液压系统，系统复杂性大为下降，部件不易损坏，成本大为降低。

Description

复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台及液压加载策略
技术领域
本发明涉及一种风力机的液压加载试验台及液压加载策略。
背景技术
风力机也即风力发电机，由于风力的不稳定，因此风力机载荷复杂，工作环境恶劣，运行工况复杂，所以风力机故障率比较高。并且风场往往在高山、高原、海滩、岛屿等环境恶劣的地方，且安装在几十米以上的塔上，维修极不方便，尤其是海上大兆瓦风力机更是要求有极高的可靠性，功率往往达到10兆瓦。为此，在设计制造风力机时，要按实际载荷全方位考虑，对风力机进行全面的测试和研究；并根据实际测试情况进行改进，提高风力机的可靠性和高寿命，同时要具有最小体积和重量。
目前风力机试验台及试验方法，最常见的一种，即电动机连接减速箱直接拖动风力发电机发电并网，是一种电封闭试验方法，但该方法只能模拟风涡轮旋转时的扭矩和转速，只有一个自由度。无法模拟和再现风涡轮在真实工作时受到的6自由度载荷。
另外，现有的风力机加载试验台的加载单元有2个到5个自由度，采用液压加载方式，这些加载试验台中，推力盘和位于其中心的传动轴是固定连接的，推力盘随传动轴一起转动，液压加载方式是以液压缸和静压轴承为加载单元，在推力盘上设置多个和传动轴系中心线水平及垂直的上述加载单元，来模拟和复现风力机受到的各个自由上的载荷，静压轴承用于加载单元和推力盘的转动接触。因此该装置需配置多个大型静压轴承、以及给大型静压轴承供油的庞大复杂的液压系统。虽然能较完整的复现风力机的受力状况，但是，庞大复杂的液压系统调试较为困难，未知因素较多，易出现振动和发热现象，且高压液压系统的安全问题也较为重要。另外，大型静压轴承的设计难度较大，且因为油膜厚度很小，而推力盘和大型静压轴承本身存在平面误差，推力盘旋转时，会导致平面误差大于油膜厚度，导致推力盘和大型静压轴承直接接触，使大型静压轴承损坏。此外，大型液压缸、大型静压轴承、庞大复杂的液压系统也导致整个系统体积庞大，成本高昂，加载控制复杂。
发明内容
为克服现有技术的上述不足，本发明提供一种可复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台及液压加载策略，不需要大型静压轴承以及和大型静压轴承配套的庞大复杂的液压系统，只需要和驱动液压缸配套的液压系统，系统复杂性大为下降，部件不易损坏，故障率低，成本大为降低。
本发明采用以下的技术方案：
复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台，包括驱动电机，驱动电机的输出轴连接减速箱，减速箱的输出轴通过联轴器连接加载装置的传动轴，加载装置的传动轴与风电机组的主轴固定连接，所述驱动电机上固定有用于模拟风涡轮的转动惯量的配重块；
所述加载装置包括箱体、位于箱体内的推力盘、穿设在推力盘中心的传动轴、加载在推力盘上的24个加载单元，所述传动轴通过两个轴承的支承可转动地穿设在推力盘内，两个轴承的外圈与推力盘固定连接，内圈与传动轴固定连接，此两个轴承可以为回转轴承或者为滑动轴承，所述箱体和推力盘之间连接有阻止推力盘转动的止动机构，所述止动机构与地面固定；
所述推力盘为具有左侧面、右侧面、以及外环面的圆盘，推力盘的左侧面沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元，推力盘的右侧面沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元，推力盘的外环面沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元，推力盘的左侧面的8个加载单元与右侧面的8个加载单元左右对称，且左侧面、右侧面、外环面上的加载单元均在推力盘的顶部设有一个；推力盘在左侧面、右侧面、外环面的加载单元的作用下分别产生左侧面、右侧面、外环面的变形；
所述加载单元包括驱动液压缸、与驱动液压缸的缸体固定的加载座、由驱动液压缸的活塞杆推动的推拉杆、球面连接在推拉杆前端的推力瓦，所述推拉杆的杆部滑行在所述加载座内，推拉杆的杆部后端与驱动液压缸的活塞杆之间连接有缓冲弹簧，驱动液压缸的活塞杆先推压缓冲弹簧后再抵触推压推拉杆，推拉杆的头部和推力瓦之间构成球关节，所述加载座固定在加载装置的所述箱体上，推力瓦与加载装置的所述推力盘抵触推压，在驱动液压缸的推力作用下使推力盘受到试验载荷；所述球关节用于适应所述推力盘的变形；
所述加载装置用于模拟风涡轮的实际受力状态，该加载装置通过24个加载单元的施力产生5个自由度，即Fx、Fy、Fz、Mx、My，而所述驱动电机的转动产生一个自由度Mz，因此本液压加载试验台共产生6个自由度，可再现风涡轮工作时所受的六自由度载荷。
进一步地，所述加载装置的箱体通过底部法兰固定在平板上，平板下端固定有高密度的地锚器，平板下方的地基内打有高密度的地桩，地锚器插设在地桩之间的空间内，并通过倒入混凝土固定地锚器和地桩二者，也即将平板与地基牢固连接，以加强地基对推力盘施加在加载单元上的反作用力的承受力；
加载单元工作时产生的加载力作用在推力盘上，推力盘对加载单元的反作用力施加在驱动液压缸的活塞杆上，活塞杆承受的反作用力通过活塞施加到活塞一侧的液压油上，液压油承受的反作用力再施加到驱动液压缸的缸体上，由于驱动液压缸的缸体与加载座固定，加载座又与所述加载装置的箱体固定，于是缸体承受的反作用力传递到所述加载装置的箱体上，加载装置的箱体再把反作用力传递到底端的平板上，平板则把反作用力传递到平板下方的地基上，也即反作用力的传递顺序为活塞杆—液压油—驱动液压缸的缸体—加载座—加载装置的箱体—平板—地基，由于该推力盘的反作用力非常大，所以在平板下方设置高密度的地锚器和高密度的地桩以增强地基对该反作用力的承受力。
进一步地，连接在减速箱的输出轴和加载装置的传动轴之间的所述联轴器为推力盘变形后可以补偿轴心线角度偏差和长度偏差的联轴器，该联轴器可以避免推力盘受到附加载荷，从而提高试验精度，该联轴器可为长齿圈鼓形齿联轴器或长双头橡胶弹性联轴器。
进一步地，所述阻止推力盘转动的止动机构为止动杆，止动杆的一端固定在所述箱体上，止动杆的另一端插设在推力盘上以阻止推力盘转动。
进一步地，所述加载单元的缓冲弹簧设在所述推拉杆的凹槽内，缓冲弹簧的宽度与该凹槽的宽度适配，且缓冲弹簧套在与该凹槽的内端面固定的芯柱上，缓冲弹簧的一端与该凹槽的内端面相抵，缓冲弹簧的另一端与驱动液压缸的活塞杆前端相抵，通过凹槽和芯柱的设计使缓冲弹簧的压缩更加平稳。
上述复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台的液压加载策略，设加载在推力盘的外环面的8个加载单元的驱动液压缸沿顺时针方向自顶端起依次为01、02、03、04、05、06、07、08，加载在推力盘的右侧面的8个加载单元的驱动液压缸沿顺时针方向自顶端起依次为09、10、11、12、13、14、15、16，加载在推力盘的左侧面的8个加载单元的驱动液压缸沿顺时针方向自顶端起依次为17、18、19、20、21、22、23、24；
则加载在推力盘的外环面的8个加载单元的加载力对应为F01、F02、F03、F04、F05、F06、F07、F08，加载在推力盘的右侧面的8个加载单元的加载力对应为F09、F10、F11、F12、F13、F14、F15、F16，加载在推力盘的左侧面的8个加载单元的加载力对应为F17、F18、F19、F20、F21、F22、F23、F24；
设加载在推力盘的水平中心线和垂直中心线上的驱动液压缸为主推缸，其余驱动液压缸为辅推缸，也即01、03、05、07、09、11、13、15、17、19、21、23为主推缸，其余驱动液压缸为辅推缸，于是，液压加载试验台的24个驱动液压缸分成了12个主推缸和12个辅推缸；
使推力盘的左侧面和右侧面的驱动液压缸的出力关于推力盘左右对称，同时使推力盘的外环面上的驱动液压缸的出力关于推力盘的中心中心对称；
设推力盘的垂直中心线向下为X向正向，推力盘的水平中心线向前为Y向正向，垂直于推力盘向左为Z向正向，顺X向正向顺时针方向为Mx正向，顺Y向正向顺时针方向为My正向，顺Z向正向顺时针方向为Mz正向，则采用以下径向力控制策略、轴向力控制策略、以及弯矩控制策略：
(一)径向力控制策略：
根据上述对驱动液压缸的位置及编号设定，使X向径向力Fx、Y向径向力Fy为：
也即，当Fx≥0时，使Fx由F01、F08、F02产生，当Fx＜0时，使Fx由F05、F04、F06产生，当Fy≥0时，使Fy由F03、F02、F04产生，当Fy＜0时，使Fy由F07、F08、F06产生；
径向力控制时使驱动液压缸的加载顺序为：
①.当Fx≥0，Fy＞0；
当|Fx|≥|Fy|时，使X向加载顺序为F01—F08—F02，同时Y向F03、F02、F04佐以正向加压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F03—F02—F04，同时X向F01、F08、F02佐以正向加压；
②.当Fx＜0，Fy≥0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F05—F04—F06，同时Y向F03、F02、F04佐以正向加压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F03—F02—F04，同时X向F05、F04、F06佐以负向加压；
③.当Fx＞0，Fy＜0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F01—F08—F02，同时Y向F07、F08、F06佐以负向加压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F07—F08—F06，同时X向F01、F08、F02佐以正向加压；
④.当Fx＜0，Fy＜0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F05—F04—F06，同时Y向F07、F08、F06佐以负向加压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F07—F08—F06，同时X向F05、F04、F06佐以负向加压；
其中，F01—F08—F02代表的含义是，主推缸01加压到最大后，辅推缸08、02再同时加压；再比如，F05—F04—F06代表的含义是，主推缸05加压到最大后，辅推缸04、06再同时加压；其他上述X向或Y向加载顺序的含义与此相同，都代表主推缸加压到最大后，后面的两个辅推缸再同时加压；
(二)轴向力控制策略：
轴向力即Z向力Fz，Z向力Fz由辅推缸10、12、14、16、18、20、22、24产生，其中辅推缸10、12、14、16一同出力且出力相同，辅推缸18、20、22、24一同出力且出力相同，这些辅推缸在完成下述Mx、My的功能时，还产生Z向力Fz；
(三)弯矩控制策略：
根据上述对驱动液压缸的位置及编号设定，使X向弯矩Mx、Y向弯矩My为：
其中，d为推力盘的直径，*为乘号；
弯矩控制时使驱动液压缸的加载顺序为：
①.当Mx≥0，当My＞0；
当|My|＞|Mx|，主推缸09\21,15\23—辅推缸16\10,22\20；
当|My|≤|Mx|，主推缸15\23,09\21—辅推缸14\16,22\24；
②.当Mx≥0，当My＜0；
当|My|＞|Mx|，主推缸17\13,15\23—辅推缸14\12,24\18；
当|My|≤|Mx|，主推缸15\23,13\17—辅推缸14\16,22\24；
③.当Mx＜0，当My≤0；
当|My|＞|Mx|，主推缸17\13,11\19—辅推缸14\12,24\18；
当|My|≤|Mx|，主推缸11\19,13\17—辅推缸12\10,18\20；
④.当Mx＜0，当My≥0；
当|My|＞|Mx|，主推缸09\21,11\19—辅推缸16\10,22\20；
当|My|≤|Mx|，主推缸11\19,09\21—辅推缸12\10,18\20；
其中,主推缸09\21,15\23—辅推缸16\10,22\20代表的含义是,主推缸09，21及主推缸15，23同时动作开始加压且四者出力相同，当这几个主推缸加压到最大后，辅推缸16，10及辅推缸22，20同时动作开始加压且四者出力相同，\表示产生弯矩效果相同的一对驱动液压缸，弯矩控制时其他加载顺序的含义与此相同；
所述Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz可以由实测得知，也可以由风力机载荷模拟软件模拟得知。
本发明的有益效果在于：
1、可复现风涡轮真实工作时受到的6自由度载荷，由于传动轴通过轴承可转动地设在推力盘内，推力盘不动，24个加载单元的加载力直接作用在推力盘上，因此该液压加载试验台不需要大型静压轴承以及和大型静压轴承配套的庞大复杂的液压系统，只需要和驱动液压缸配套的液压系统，系统复杂性大为下降，成本大为降低，且没有庞大复杂的液压系统所带来的调试困难、加载控制复杂、易出现振动和发热现象、以及高压液压系统存在的安全问题，由于没有大型静压轴承，也不存在由于推力盘和大型静压轴承直接接触，使大型静压轴承损坏的问题，因此部件不易损坏，故障率低。
2、推力盘对加载单元的反作用力的传递顺序为活塞杆—液压油—驱动液压缸的缸体—加载座—加载装置的箱体—平板—地基，由于该反作用力最终施加在地基上，且该反作用力非常大，所以在平板下端固定高密度的地锚器，平板下方的地基内设高密度的地桩，地锚器插设在地桩之间的空间内，并通过倒入混凝土固定地锚器和地桩二者，也即将平板与地基牢固连接，以增强地基对该反作用力的承受力。
3、推拉杆前端的球关节用于适应所述推力盘的变形并使推力盘均匀受力，也即与推力盘抵触的推力瓦可随推力盘的变形自动调整与推拉杆的头部的铰接角度，不采用球关节的话，推拉杆受到来自推力盘的附加弯矩会更大，该附加弯矩会使推拉杆施加给推力盘的推力不准确。
4、连接在减速箱的输出轴和加载装置的传动轴之间的所述联轴器为推力盘变形后可以补偿轴心线角度偏差和长度偏差的联轴器，该联轴器可以避免推力盘受到附加载荷，从而提高试验精度，该联轴器可为长齿圈鼓形齿联轴器或长双头梅花式橡胶弹性联轴器。
附图说明
图1为本发明的风力机的风涡轮6自由度坐标图。
图2为本发明复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台的整体结构图。
图3为图2中的加载装置沿传动轴的纵向剖视图。
图4为图3所示加载装置的A-A剖视图。
图5为图3所示加载装置的右视图。
图6为本发明的液压加载试验台的加载单元的结构图。
图7为图6中加载单元的分解结构示意图。
图8为图2中推力盘的加载右视图。
图9为图2中推力盘的加载主视图。
图10为图2中推力盘的加载左视图。
图11为英国GH Bladed软件在某风况下所模拟的Fx载荷图。
图12为英国GH Bladed软件在某风况下所模拟的Fy载荷图。
图13为英国GH Bladed软件在某风况下所模拟的Mx载荷图。
图14为英国GH Bladed软件在某风况下所模拟的My载荷图。
具体实施方式
参照图1-图10：复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台，包括驱动电机31，驱动电机31的输出轴连接减速箱32，减速箱32的输出轴通过联轴器33连接加载装置40的传动轴43，加载装置40的传动轴43与风电机组34的主轴341通过螺栓固定连接，所述驱动电机31上固定有用于模拟风涡轮(即风力机叶轮)的转动惯量的配重块35；
所述加载装置40包括箱体41、位于箱体41中间的推力盘42、穿设在推力盘42中心的传动轴43、加载在推力盘42上的24个加载单元50，所述传动轴43通过两个轴承44的支承可转动地穿设在推力盘42内，两个轴承44的外圈与推力盘42固定连接，内圈与传动轴43固定连接，此两个轴承44可以为回转轴承或者为滑动轴承，所述箱体41和推力盘42之间连接有阻止推力盘42转动的止动机构，该止动机构要求不限制推力盘42在24个加载单元施力作用下的变形，本实施例中，止动机构为两个止动杆45，止动杆45一端通过螺栓固定在所述箱体41上，止动杆45的另一端插设在推力盘42上以阻止推力盘42转动，而图中标号46的部件为连接法兰，用于连接分成上下两部分的箱体41；
所述推力盘42为具有左侧面421、右侧面422、以及外环面423的圆盘，推力盘42的左侧面421沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元50，此8个加载单元50的加载力与左侧面垂直，推力盘42的右侧面422沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元50，此8个加载单元50的加载力与右侧面垂直，推力盘42的外环面423沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元50，此8个加载单元的加载力与外环面423垂直，推力盘42的左侧面421的8个加载单元50与右侧面422的8个加载单元50左右对称，且左侧面421、右侧面422、外环面423上的加载单元50均在推力盘42的顶部设有一个；推力盘42在左侧面421、右侧面422、外环面423的加载单元50的作用下分别产生左侧面421、右侧面422、外环面423的变形；
上述连接在减速箱32的输出轴和加载装置40的传动轴43之间的联轴器33为推力盘42变形后可以调整补偿轴心线角度偏差和长度偏差的联轴器，该联轴器33可以避免推力盘42受到附加载荷，从而提高试验精度，该联轴器33可为长齿圈鼓形齿联轴器或长双头梅花式橡胶弹性联轴器等，梅花式(为插入式)可起到轴向长度补偿的作用；
图6为液压加载试验台的加载单元的结构图，所述加载单元50包括驱动液压缸51、与驱动液压缸51的缸体511通过螺栓固定的加载座52、由驱动液压缸51的活塞杆512推动的推拉杆53、球面连接在推拉杆53前端的推力瓦54，所述推拉杆53的杆部滑行在所述加载座52内，推拉杆53的杆部后端与驱动液压缸51的活塞杆512之间连接有缓冲弹簧55，驱动液压缸51的活塞杆52先推压缓冲弹簧55后再抵触推压推拉杆53，推拉杆53的头部531和推力瓦54之间构成球关节，所述加载座52通过螺栓固定在加载装置40的所述箱体41上，推力瓦54与加载装置40的推力盘42抵触推压，在驱动液压缸51的推力作用下使推力盘42受到试验载荷；所述球关节用于适应所述推力盘42的变形并使推力盘42均匀受力，也即与推力盘42抵触的推力瓦57随推力盘42的变形自动调整与推拉杆55的头部551的铰接角度，不采用球关节的话，推拉杆55受到来自推力盘42的附加弯矩会更大，附加弯矩会使推拉杆55施加给推力盘42的推力不准确；
所述加载单元50的缓冲弹簧55设在推拉杆53的凹槽532内，缓冲弹簧55的宽度与该凹槽532的宽度适配，且缓冲弹簧55套在与该凹槽532的内端面固定的芯柱533上，缓冲弹簧55的一端与该凹槽532的内端面相抵，缓冲弹簧55的另一端与驱动液压缸51的活塞杆52前端相抵，通过凹槽532和芯柱533的设计使缓冲弹簧55的压缩更加平稳；
图6中，24个加载单元50各自使用一个液压系统(给驱动液压缸供油)形成一个液压站，一共有24个液压站，24个液压站可以各自使用一套控制柜和电源柜，也可以共用一套控制柜和电源柜，控制柜和电源柜可以放在离试验台较远的房间，因此试验台产生的噪声可以隔离，人员工作环境较好，且较为安全，并且试验台所占场地可以相对较小；
所述加载装置40用于模拟风涡轮的实际受力状态，该加载装置通过24个加载单元50的施力产生5个自由度，即Fx、Fy、Fz、Mx、My，而所述驱动电机31的转动产生一个自由度Mz，因此本液压加载试验台共产生6个自由度，可再现风涡轮工作时所受的六自由度载荷，本发明的风力机的风涡轮的X、Y、Z向的坐标以及六自由度的坐标可参见图1；
此外，所述加载装置40的箱体41通过底部法兰47固定在平板48上，平板48下端配套固定有高密度的地锚器49A，平板48下方的地基内打有高密度的地桩49B，地锚器49A插设在地桩49B之间的空间内，并通过倒入混凝土固定地锚器49A和地桩49B二者，也即将平板48与地基牢固连接，以加强地基对推力盘42施加在加载单元50上的反作用力的承受力；
加载单元50工作时产生的加载力作用在推力盘42上，推力盘42对加载单元50的反作用力施加在驱动液压缸51的活塞杆512上，活塞杆512承受的反作用力通过活塞施加到活塞一侧(无杆腔)的液压油上，液压油承受的反作用力再施加到驱动液压缸的缸体511上，由于驱动液压缸51的缸体511与加载座52固定，加载座52又与加载装置40的箱体41固定，于是缸体511承受的反作用力传递到所述加载装置的箱体41上，加载装置的箱体41再把反作用力传递到底端的平板48上，平板48则把反作用力传递到平板48下方的地基上，也即反作用力的传递顺序为活塞杆512—液压油—驱动液压缸的缸体512—加载座52—加载装置的箱体41—平板48—地基，由于该推力盘42的反作用力非常大，所以在平板48下方设置高密度的地锚器49A和高密度的地桩49B以增强地基对该反作用力的承受力。
上述复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台的液压加载策略，设加载在推力盘42的外环面423的8个加载单元50的驱动液压缸51沿顺时针方向自顶端起依次为01、02、03、04、05、06、07、08，加载在推力盘42的右侧面422的8个加载单元50的驱动液压缸51沿顺时针方向自顶端起依次为09、10、11、12、13、14、15、16，加载在推力盘42的左侧面421的8个加载单元50的驱动液压缸51沿顺时针方向自顶端起依次为17、18、19、20、21、22、23、24；
则加载在推力盘42的外环面423的8个加载单元50的加载力对应为F01、F02、F03、F04、F05、F06、F07、F08，加载在推力盘42的右侧面422的8个加载单元50的加载力对应为F09、F10、F11、F12、F13、F14、F15、F16，加载在推力盘32的左侧面421的8个加载单元50的加载力对应为F17、F18、F19、F20、F21、F22、F23、F24；
设加载在推力盘42的水平中心线424和垂直中心线425上的驱动液压缸51为主推缸，其余驱动液压缸51为辅推缸，也即01、03、05、07、09、11、13、15、17、19、21、23为主推缸，其余驱动液压缸51为辅推缸，于是，液压加载试验台的24个驱动液压缸51分成了12个主推缸和12个辅推缸；
如上，给液压加载试验台的24个驱动液压缸51分别编号，并将其分成12个主推缸和12个辅推缸。24个驱动液压缸51中，使推力盘42的左侧面421和右侧面422的驱动液压缸51的出力关于推力盘42左右对称(比如驱动液压缸09、21出力对称，驱动液压缸16、18出力对称，等等)，同时使推力盘42的外环面423上的驱动液压缸51的出力关于推力盘42的中心中心对称(比如驱动液压缸01、05出力对称，驱动液压缸02、06出力对称，驱动液压缸04、08出力对称，驱动液压缸14，20出力对称，等等)，于是24个驱动液压缸51合计12矢量力，但是只控制5个自由度Fx、Fy、Fz、Mx、My，即仅有5个约束方程，却有12知量，为静不定方程组，所以设定加载在推力盘42的水平中心线424和垂直中心线425的驱动液压缸51为主推缸，其余为辅推缸，通过区分主推缸和辅推缸，12知量就变为6知量，但是要产生5个自由度，仍是静不定方程，所以需加一边界条件，边界条件为下述的径向力控制策略、轴向力控制策略、以及弯矩控制策略，该控制策略限定了径向力控制、轴向力控制、以及弯矩控制时驱动液压缸51的加载顺序；
参照图1所示风力机的风涡轮六自由度坐标图，设推力盘的垂直中心线向下为X向正向，推力盘的水平中心线向前为Y向正向，垂直于推力盘向左为Z向正向，顺X向正向顺时针方向为Mx正向，顺Y向正向顺时针方向为My正向，顺Z向正向顺时针方向为Mz正向，结合图8、图9、图10，则采用以下径向力控制策略、轴向力控制策略、以及弯矩控制策略：
(一)径向力控制策略：
在图1所示六自由度坐标图的基础上，根据上述对驱动液压缸51的位置及编号设定，使X向径向力Fx、Y向径向力Fy为(Fx、Fy为具有正负的矢量)：
也即，当Fx≥0时，使Fx由F01、F08、F02产生，当Fx＜0时，使Fx由F05、F04、F06产生，当Fy≥0时，使Fy由F03、F02、F04产生，当Fy＜0时，使Fy由F07、F08、F06产生；
径向力控制时使驱动液压缸51的加载顺序为：
①.当Fx≥0，Fy＞0；
当|Fx|≥|Fy|时，使X向加载顺序为F01—F08—F02，同时Y向F03、F02、F04佐以正向加压；
其思路是比较Fx、Fy的绝对值大小，取大者的施力方向确定该方向的加载顺序，比如|Fx|≥|Fy|，则确定X向加载顺序，再根据Fx、Fy的正负确定加载组合，比如Fx≥0，则取F01、F08、F02，Fy＞0则取F03、F02、F04，以下思路相同；
本实施例中其具体操作为，01和03缸同时启动，随着01缸推力增加到极限值，08、02缸同时启动，到08、02缸的推力极限值，就到了|Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，08缸推力逐渐减小，直到减为零，03缸推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，01缸推力减小到零，|Fy|逐渐增大，启动04缸，直到04缸推力最大，|Fy|到最大值；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F03—F02—F04，同时X向F01、F08、F02佐以正向加压；
本实施例中其具体操作为，03和01缸同时启动，随着03缸推力增加到极限值，02、04缸同时启动，到02、04缸的推力极限值，就到了|Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，04缸推力逐渐减小，直到减为零，01缸推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，03缸推力减小到零，|Fy|逐渐增大，启动08缸，直到08缸推力最大，|Fy|到最大值；
②.当Fx＜0，Fy≥0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F05—F04—F06，同时Y向F03、F02、F04佐以正向加压；
本实施例中其具体操作为，05和03缸同时启动，随着05缸推力增加到极限值，04、06缸同时启动，到04、06缸的推力极限值，就到了|Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，06缸推力逐渐减小，直到减为零，03缸推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，05缸推力减小到零，|Fy|逐渐增大，启动02缸，直到02缸推力最大，|Fy|到最大值；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F03—F02—F04，同时X向F05、F04、F06佐以负向加压；
本实施例中其具体操作为，03和05缸同时启动，随着03缸推力增加到极限值，02、04缸同时启动，到02、04缸的推力极限值，就到了|Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，02缸推力逐渐减小，直到减为零，05缸推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，03缸推力减小到零，|Fy|逐渐增大，启动06缸，直到06缸推力最大，|Fy|到最大值；
③.当Fx＞0，Fy＜0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F01—F08—F02，同时Y向F07、F08、F06佐以负向加压；
本实施例中其具体操作为，01和07缸同时启动，随着01缸推力增加到极限值，08、02缸同时启动，到08、02缸的推力极限值，就到了|Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，02缸推力逐渐减小，直到减为零，07缸推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，01缸推力减小到零，|Fy|逐渐增大，启动06缸，直到06缸推力最大，|Fy|到最大值；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F07—F08—F06，同时X向F01、F08、F02佐以正向加压；
本实施例中其具体操作为，07和01缸同时启动，随着07缸推力增加到极限值，08、06缸同时启动，到08、06缸的推力极限值，就到了|Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，06缸推力逐渐减小，直到减为零，01缸推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，07缸推力减小到零，|Fy|逐渐增大，启动02缸，直到02缸推力最大，|Fy|到最大值；
④.当Fx＜0，Fy＜0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F05—F04—F06，同时Y向F07、F08、F06佐以负向加压；
本实施例中其具体操作为，05和07缸同时启动，随着05缸推力增加到极限值，04、06缸同时启动，到04、06缸的推力极限值，就到了|Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，04缸推力逐渐减小，直到减为零，07缸推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，05缸推力减小到零，|Fy|逐渐增大，启动08缸，直到08缸推力最大，|Fy|到最大值；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F07—F08—F06，同时X向F05、F04、F06佐以负向加压；
本实施例中其具体操作为，07和05缸同时启动，随着07缸推力增加到极限值，08、06缸同时启动，到08、06缸的推力极限值，就到了|Fx|的极限值，随着|Fx|的减小，|Fy|逐渐增大，08缸推力逐渐减小，直到减为零，05缸推力逐渐增大，直到最大；随着|Fx|的减小，07缸推力减小到零，|Fy|逐渐增大，启动04缸，直到04缸推力最大，|Fy|到最大值；
其中，F01—F08—F02代表的含义是，主推缸01加压到最大后，辅推缸08、02再同时加压；再比如，F05—F04—F06代表的含义是，主推缸05加压到最大后，辅推缸04、06再同时加压；其他上述X向或Y向加载顺序的含义与此相同，都代表主推缸加压到最大后，后面的两个辅推缸再同时加压；在确定X方向的加载顺序后，Y方向要同时加压，在确定Y方向的加载顺序后，X方向要同时加压；
上述径向力控制所用的驱动液压缸有01、02、03……08(01至08)；
(二)轴向力控制策略：
上述为径向力Fx、Fy的控制策略，轴向力即Z向力Fz，Z向力Fz由辅推缸10、12、14、16、18、20、22、24产生，其中辅推缸10、12、14、16出力相同，辅推缸18、20、22、24出力相同，这些辅推缸在完成下述Mx、My的功能时，还产生Z向力Fz；
上述轴向力控制所用的驱动液压缸有10、12、14、16、18、20、22、24；
本发明的液压加载策略中，认为轴向施力的驱动液压缸09至24中，其中的主推缸09、11、13、15、17、19、21、23由于离推力盘中心最远，认为其用于产生弯矩，而其中的辅推缸10、12、14、16、18、20、22、24由于离推力盘中心较近，则主要产生推力，也产生一定弯矩，于是，如上所述，轴向力控制所用的驱动液压缸有10、12、14、16、18、20、22、24，而弯矩控制所用的驱动液压缸有09至24(如下文所述)，具体弯矩控制策略如下：
(三)弯矩控制策略：
在图1所示六自由度坐标图的基础上，根据上述对驱动液压缸51的位置及编号设定，使X向弯矩Mx、Y向弯矩My为(Mx、My为具有正负的矢量)：
其中，d为推力盘的直径，*为乘号；
弯矩控制时使驱动液压缸的加载顺序为：
①.当Mx≥0，当My＞0；
当|My|＞|Mx|，主推缸09\21,15\23—辅推缸16\10,22\20；
当|My|≤|Mx|，主推缸15\23,09\21—辅推缸14\16,22\24；
②.当Mx≥0，当My＜0；
当|My|＞|Mx|，主推缸17\13,15\23—辅推缸14\12,24\18；
当|My|≤|Mx|，主推缸15\23,13\17—辅推缸14\16,22\24；
③.当Mx＜0，当My≤0；
当|My|＞|Mx|，主推缸17\13,11\19—辅推缸14\12,24\18；
当|My|≤|Mx|，主推缸11\19,13\17—辅推缸12\10,18\20；
④.当Mx＜0，当My≥0；
当|My|＞|Mx|，主推缸09\21,11\19—辅推缸16\10,22\20；
当|My|≤|Mx|，主推缸11\19,09\21—辅推缸12\10,18\20；
其中,主推缸09\21,15\23—辅推缸16\10,22\20代表的含义是,主推缸09，21及主推缸15，23同时动作开始加压且四者出力相同，当这几个主推缸加压到最大后，辅推缸16，10及辅推缸22，20同时动作开始加压且四者出力相同，\表示产生弯矩效果相同的一对驱动液压缸；再比如，主推缸17\13,15\23—辅推缸14\12,24\18代表的含义是，主推缸17，13及主推缸15，23同时动作开始加压且四者出力相同，当这几个主推缸加压到最大后，辅推缸14，12及辅推缸24，18同时动作开始加压且四者出力相同，\表示产生弯矩效果相同的一对驱动液压缸；弯矩控制时其他加载顺序的含义与此相同；
上述弯矩控制所用的驱动液压缸有09、10、11......24(09至24)；
所述Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz可以由风力机载荷模拟软件模拟得知。
本实施例中，采用英国GH Bladed软件(一种风力机载荷模拟软件)模拟风况，英国GH Bladed软件内的风况包括风速、波动的幅值、阵风、湍流等，然后结合具体风涡轮参数，在电脑中模拟出Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz这6自由度的连续载荷谱，该英国GH Bladed软件可以按一定时间步长把载荷曲线离散成一个个离散数据，并置入EXCEL表中；
图11所示为英国GH Bladed软件在某风况下所模拟的Fx载荷图，图12所示为该风况下所模拟的Fy载荷图，图13所示为该风况下所模拟的Mx载荷图，图14所示为该风况下所模拟的My载荷图，Fz、Mz的载荷图省略未示出；
之后，根据上述径向力控制策略和弯矩控制策略，比较一定时间步长下Fx、Fy的正负和大小，以及一定时间步长下Mx、My的正负和大小，得到一定时间步长下径向力控制时的驱动液压缸加载顺序以及一定时间步长下弯矩控制时的驱动液压缸加载顺序，轴向力的驱动液压缸加载由轴向力控制策略确定，不用比较六自由度载荷的正负和大小，由此得到径向力控制、轴向力控制、以及弯矩控制时对应于各时间步长下的驱动液压缸的加载组合和加载顺序；比如，弯矩控制时，当Mx≥0，My＜0情况下，当|My|＞|Mx|时，驱动液压缸的加载组合为17\13、15\23、14\12、24\18，驱动液压缸的加载顺序为，主推缸17\13,15\23—辅推缸14\12,24\18；
风力机载荷模拟软件得到的连续载荷谱，其纵坐标具体数值转化为电信号，经放大器放大后，传递到待工作的驱动液压缸之前的伺服阀或电液比例阀，产生施加到待工作的驱动液压缸上的具体液压值。
除通过上述风力机载荷模拟软件模拟得知外，所述Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz还可以在现场由实测得知，实测得到Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的数据后，比较每个时间步长下Fx、Fy的正负和大小，根据上述径向力控制策略得到每个时间步长下径向力控制时驱动液压缸的加载组合和加载顺序，比较每个时间步长下Mx、My的正负和大小，根据上述弯矩控制策略得到每个时间步长下弯矩控制时驱动液压缸的加载组合和加载顺序，轴向力的驱动液压缸加载方式由轴向力控制策略确定。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (9)

1.复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台，其特征在于：包括驱动电机，驱动电机的输出轴连接减速箱，减速箱的输出轴通过联轴器连接加载装置的传动轴，加载装置的传动轴与风电机组的主轴固定连接，所述驱动电机上固定有用于模拟风涡轮的转动惯量的配重块；
所述加载装置包括箱体、位于箱体内的推力盘、穿设在推力盘中心的传动轴、加载在推力盘上的24个加载单元，所述传动轴通过两个轴承的支承可转动地穿设在推力盘内，两个轴承的外圈与推力盘固定连接，内圈与传动轴固定连接，此两个轴承可以为回转轴承或者为滑动轴承，所述箱体和推力盘之间连接有阻止推力盘转动的止动机构；
所述推力盘为具有左侧面、右侧面、以及外环面的圆盘，推力盘的左侧面沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元，推力盘的右侧面沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元，推力盘的外环面沿周向等间隔地垂直加载有8个加载单元，推力盘的左侧面的8个加载单元与右侧面的8个加载单元左右对称，且左侧面、右侧面、外环面上的加载单元均在推力盘的顶部设有一个；推力盘在左侧面、右侧面、外环面的加载单元的作用下分别产生左侧面、右侧面、外环面的变形；
所述加载单元包括驱动液压缸、与驱动液压缸的缸体固定的加载座、由驱动液压缸的活塞杆推动的推拉杆、球面连接在推拉杆前端的推力瓦，所述推拉杆的杆部滑行在所述加载座内，推拉杆的杆部后端与驱动液压缸的活塞杆之间连接有缓冲弹簧，驱动液压缸的活塞杆先推压缓冲弹簧后再抵触推压推拉杆，推拉杆的头部和推力瓦之间构成球关节，所述加载座固定在加载装置的所述箱体上，推力瓦与加载装置的所述推力盘抵触推压，在驱动液压缸的推力作用下使推力盘受到试验载荷；所述球关节用于适应所述推力盘的变形；
所述加载装置用于模拟风涡轮的实际受力状态，该加载装置通过24个加载单元的施力产生5个自由度，即Fx、Fy、Fz、Mx、My，而所述驱动电机的转动产生一个自由度Mz，因此本液压加载试验台共产生6个自由度，可再现风涡轮工作时所受的六自由度载荷。
2.如权利要求1所述的复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台，其特征在于：所述加载装置的箱体通过底部法兰固定在平板上，平板下端固定有高密度的地锚器，平板下方的地基内打有高密度的地桩，地锚器插设在地桩之间的空间内，并通过倒入混凝土固定地锚器和地桩二者，也即将平板与地基牢固连接，以加强地基对推力盘施加在加载单元上的反作用力的承受力；
加载单元工作时产生的加载力作用在推力盘上，推力盘对加载单元的反作用力施加在驱动液压缸的活塞杆上，活塞杆承受的反作用力通过活塞施加到活塞一侧的液压油上，液压油承受的反作用力再施加到驱动液压缸的缸体上，由于驱动液压缸的缸体与加载座固定，加载座又与所述加载装置的箱体固定，于是缸体承受的反作用力传递到所述加载装置的箱体上，加载装置的箱体再把反作用力传递到底端的平板上，平板则把反作用力传递到平板下方的地基上，也即反作用力的传递顺序为活塞杆—液压油—驱动液压缸的缸体—加载座—加载装置的箱体—平板—地基，由于该推力盘的反作用力非常大，所以在平板下方设置高密度的地锚器和高密度的地桩以增强地基对该反作用力的承受力。
3.如权利要求2所述的复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台，其特征在于：连接在减速箱的输出轴和加载装置的传动轴之间的所述联轴器为推力盘变形后可以补偿轴心线角度偏差和长度偏差的联轴器，该联轴器可以避免推力盘受到附加载荷，从而提高试验精度，该联轴器可为长齿圈鼓形齿联轴器或长双头橡胶弹性联轴器。
4.如权利要求3所述的复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台，其特征在于：所述阻止推力盘转动的止动机构为止动杆，止动杆的一端固定在所述箱体上，止动杆的另一端插设在推力盘上以阻止推力盘转动。
5.如权利要求1所述的复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台，其特征在于：所述加载单元的缓冲弹簧设在所述推拉杆的凹槽内，缓冲弹簧的宽度与该凹槽的宽度适配，且缓冲弹簧套在与该凹槽的内端面固定的芯柱上，缓冲弹簧的一端与该凹槽的内端面相抵，缓冲弹簧的另一端与驱动液压缸的活塞杆前端相抵，通过凹槽和芯柱的设计使缓冲弹簧的压缩更加平稳。
6.如权利要求3所述的复现风力机6自由度载荷的液压加载试验台，其特征在于：所述长双头橡胶弹性联轴器为长双头梅花式橡胶弹性联轴器。
7.如权利要求1-5之一所述的液压加载试验台的液压加载策略，其特征在于：设加载在推力盘的外环面的8个加载单元的驱动液压缸沿顺时针方向自顶端起依次为01、02、03、04、05、06、07、08，加载在推力盘的右侧面的8个加载单元的驱动液压缸沿顺时针方向自顶端起依次为09、10、11、12、13、14、15、16，加载在推力盘的左侧面的8个加载单元的驱动液压缸沿顺时针方向自顶端起依次为17、18、19、20、21、22、23、24；
则加载在推力盘的外环面的8个加载单元的加载力对应为F01、F02、F03、F04、F05、F06、F07、F08，加载在推力盘的右侧面的8个加载单元的加载力对应为F09、F10、F11、F12、F13、F14、F15、F16，加载在推力盘的左侧面的8个加载单元的加载力对应为F17、F18、F19、F20、F21、F22、F23、F24；
设加载在推力盘的水平中心线和垂直中心线上的驱动液压缸为主推缸，其余驱动液压缸为辅推缸，也即01、03、05、07、09、11、13、15、17、19、21、23为主推缸，其余驱动液压缸为辅推缸，于是，液压加载试验台的24个驱动液压缸分成了12个主推缸和12个辅推缸；
使推力盘的左侧面和右侧面的驱动液压缸的出力关于推力盘左右对称，同时使推力盘的外环面上的驱动液压缸的出力关于推力盘的中心中心对称；
设推力盘的垂直中心线向下为X向正向，推力盘的水平中心线向前为Y向正向，垂直于推力盘向左为Z向正向，顺X向正向顺时针方向为Mx正向，顺Y向正向顺时针方向为My正向，顺Z向正向顺时针方向为Mz正向，则采用以下径向力控制策略、轴向力控制策略、以及弯矩控制策略：
(一)径向力控制策略：
根据上述对驱动液压缸的位置及编号设定，使X向径向力Fx、Y向径向力Fy为：
也即，当Fx≥0时，使Fx由F01、F08、F02产生，当Fx＜0时，使Fx由F05、F04、F06产生，当Fy≥0时，使Fy由F03、F02、F04产生，当Fy＜0时，使Fy由F07、F08、F06产生；
径向力控制时使驱动液压缸的加载顺序为：
①.当Fx≥0，Fy＞0；
当|Fx|≥|Fy|时，使X向加载顺序为F01—F08—F02，同时Y向F03、F02、F04佐以正向加压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F03—F02—F04，同时X向F01、F08、F02佐以正向加压；
②.当Fx＜0，Fy≥0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F05—F04—F06，同时Y向F03、F02、F04佐以正向加压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F03—F02—F04，同时X向F05、F04、F06佐以负向加压；
③.当Fx＞0，Fy＜0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F01—F08—F02，同时Y向F07、F08、F06佐以负向加压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F07—F08—F06，同时X向F01、F08、F02佐以正向加压；
④.当Fx＜0，Fy＜0；
当|Fx|≥|Fy|时,使X向加载顺序为F05—F04—F06，同时Y向F07、F08、F06佐以负向加压；
当|Fx|＜|Fy|时,使Y向加载顺序为F07—F08—F06，同时X向F05、F04、F06佐以负向加压；
其中，F01—F08—F02代表的含义是，主推缸01加压到最大后，辅推缸08、02再同时加压；再比如，F05—F04—F06代表的含义是，主推缸05加压到最大后，辅推缸04、06再同时加压；其他上述X向或Y向加载顺序的含义与此相同，都代表主推缸加压到最大后，后面的两个辅推缸再同时加压；
(二)轴向力控制策略：
轴向力即Z向力Fz，Z向力Fz由辅推缸10、12、14、16、18、20、22、24产生，其中辅推缸10、12、14、16一同出力且出力相同，辅推缸18、20、22、24一同出力且出力相同，这些辅推缸在完成下述Mx、My的功能时，还产生Z向力Fz；
(三)弯矩控制策略：
根据上述对驱动液压缸的位置及编号设定，使X向弯矩Mx、Y向弯矩My为：
其中，d为推力盘的直径，*为乘号；
弯矩控制时使驱动液压缸的加载顺序为：
①.当Mx≥0，当My＞0；
当|My|＞|Mx|，主推缸09\21,15\23—辅推缸16\10,22\20；
当|My|≤|Mx|，主推缸15\23,09\21—辅推缸14\16,22\24；
②.当Mx≥0，当My＜0；
当|My|＞|Mx|，主推缸17\13,15\23—辅推缸14\12,24\18；
当|My|≤|Mx|，主推缸15\23,13\17—辅推缸14\16,22\24；
③.当Mx＜0，当My≤0；
当|My|＞|Mx|，主推缸17\13,11\19—辅推缸14\12,24\18；
当|My|≤|Mx|，主推缸11\19,13\17—辅推缸12\10,18\20；
④.当Mx＜0，当My≥0；
当|My|＞|Mx|，主推缸09\21,11\19—辅推缸16\10,22\20；
当|My|≤|Mx|，主推缸11\19,09\21—辅推缸12\10,18\20；
其中,主推缸09\21,15\23—辅推缸16\10,22\20代表的含义是,主推缸09，21及主推缸15，23同时动作开始加压且四者出力相同，当这几个主推缸加压到最大后，辅推缸16，10及辅推缸22，20同时动作开始加压且四者出力相同，\表示产生弯矩效果相同的一对驱动液压缸，弯矩控制时其他加载顺序的含义与此相同；
所述Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz可以由实测得知，也可以由风力机载荷模拟软件模拟得知。
8.如权利要求7所述的液压加载试验台的液压加载策略，其特征在于：当Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz由风力机载荷模拟软件模拟得知时，风力机载荷模拟软件根据具体风况并结合具体风涡轮参数，在电脑中模拟出Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz这6自由度的连续载荷谱，然后根据上述径向力控制策略和弯矩控制策略，比较一定时间步长下Fx、Fy的正负和大小，以及一定时间步长下Mx、My的正负和大小，得到一定时间步长下径向力控制时的驱动液压缸加载顺序以及一定时间步长下弯矩控制时的驱动液压缸加载顺序，轴向力的驱动液压缸加载由轴向力控制策略确定，由此得到径向力控制、轴向力控制、以及弯矩控制时对应于各时间步长下的驱动液压缸的加载组合和加载顺序。
9.如权利要求8所述的液压加载试验台的液压加载策略，其特征在于：所述风力机载荷模拟软件为英国GH Bladed软件。
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