CN107121276A - 一种大功率风力机叶片疲劳试验加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率风力机叶片疲劳试验加载装置。本装置包括装夹风电叶片试验部位的叶片夹具和位于叶片夹具上方的加载装置,其中加载装置包含：电机、减速器、输出轴、可调配重块、连杆、减速器底座。电机和减速器相连接，电机的输入扭矩经过减速器的变向和减速传递到输出轴，可调配重块与连杆相连接对称安装在输出轴的两端，减速器底座固定于叶片夹具用于支撑减速器。本发明一方面解决质量块自重偏大时会对叶片弦向产生严重偏载力矩的问题，提高测试的准确性；另一方面使减速器齿轮及输出轴处于平衡受力状态，延长了其使用寿命；并具有结构简单，拆装方便的特点。

Description

一种大功率风力机叶片疲劳试验加载装置

技术领域

本发明属于风力发电机叶片载荷模拟试验领域，具体涉及一种大功率风力机叶片疲劳试验加载装置。

背景技术

叶片是风力发电机组重要零部件，风力发电机在整个使用过程中，叶片受到各种外界环境及风载荷的影响，由于风力机叶片的使用寿命在很大程度上取决于其抗疲劳性能，所以有必要进行风力机叶片疲劳加载试验。对于叶片疲劳加载试验可分为垂直疲劳加载，水平疲劳加载，扭转疲劳加载，还有三者不同组合的复合疲劳加载。

对于叶片垂直疲劳加载试验主要采用液压惯性式疲劳加载、电动惯性式疲劳加载和偏心旋转质量块疲劳加载：

(1)液压惯性式疲劳加载装置通过其液压缸带动质量块作垂直往复运动，使其往复运动频率接近叶片的固有频率，使叶片达到共振状态，但是液压伺服系统存在组成复杂，对液压油清洁度要求高，成本高，故障率高等缺点。

(2)电动惯性式疲劳加载装置通过电动缸带动加载装置两边的质量块在竖直方向作简谐运动，其产生的激振力驱动叶片振动，通过控制系统调节质量块的运动速度，使其同步运行，并使其运动频率接近叶片的固有频率，使叶片达到共振状态，但其中电动缸带动质量块做反复运动需要的控制要求高，两个质量块很难实现同步运动。

(3)旋转偏心质量加载方法使用偏心旋转质量块加载装置、利用共振原理进行工作，用电动机带动偏心质量块在竖直平面内作近似正弦转动，离心力作为激振力对叶片做功，通过调整质量块的大小使得叶片达到试验要求的振幅，具有结构简单，成本低的优点。中国专利号CN201110050103.5的发明专利“风力机叶片疲劳试验旋转偏心质量与载荷控制方法”，中指出：旋转偏心质量加载方法是目前国内外叶片厂家广泛采用的疲劳试验加载方式。

目前普遍使用的偏心旋转质量块加载装置采用了单轴单端安装偏心质量块实现激振的方式，即，采用单输出轴减速器，该方式的缺点有两点：

(a)偏心质量布置在减速器输出轴的一端虽然在安装中会尽量使重心在叶片中心，但由于激振装置的实际重心在试验中难以获得，因此，必然会产生一定程度的偏心及偏载力矩。这种激振方式所产生的偏载力矩在配重比较小时，对试验的影响可以接受；但随着试验对产生激振力的需求不断增大，激振装置所加载的质量块也随之增大，当质量块大幅增大时对叶片弦向会产生更为巨大的偏载力矩，该偏载力矩会严重降低试验结果的准确性。

可调质量块对叶片弦向的偏载力矩M大小为：

M＝mgl (1)

式中：

m—可调质量块总体质量，单位为kg；

g—重力加速度，单位为m/s²；

l—激振器与叶片中心的偏心距离，单位为m。

(b)由于质量块布置在减速器输出轴的一侧，减速器输出轴及齿轮处于不平衡受力状态，使减速器各部件承受很大的不平衡载荷，易发生偏磨、断齿等故障从而严重影响减速器的使用寿命。在一些疲劳实验现场所进行的实际疲劳试验过程中，采用偏心旋转质量块加载装置在每次实验后都需要重新更换减速器，因此，采用单轴单端布置偏心质量加载方式，使得最大偏心质量受到了限制，无法提供更大的激振力输出。

与此同时，大型风力机叶片以成为风力发电机的发展方向，但随叶片长度、柔度和阻尼耗能的增大，疲劳加载试验加载设备所需功率也随之增大；传统的单轴单端安装偏心质量块的激振方式由于存在上述缺点，在风机叶片疲劳实验中，其偏心质量一般不能超过500kg，因此无法满足大功率风力机叶片疲劳加载试验的要求。

发明内容

本发明的目的在于：解决传统的单轴单端装有偏心质量块激振方式带来的沿叶片弦向产生严重偏载力矩的问题，并解决传统的单轴单端装有偏心质量块激振方式所造成的输出轴及齿轮处于不平衡受力状态的问题；且具有结构简单，拆装方便，结构对称，运行安全性高的特点。

一种大功率风力机叶片疲劳试验加载装置，所述的装置包括叶片夹具和加载装置，所述加载装置与叶片夹具连接，叶片夹具装夹风电叶片，所述加载装置，用于产生偏心质量激振，可调配重块对称分布于加载装置的两侧。所述叶片夹具由上下两部分支架和枕木组成，通过定长螺杆连接固定，用于装夹风电叶片，包括夹具上支架、定长螺杆、下支架、下枕木和上枕木，夹具上支架和下支架与上枕木和下枕木通过定长螺杆连接形成叶片随形腔，实现叶片夹紧，其特征在于，所述加载装置由减速器底座与夹具上支架固定，同叶片夹具相连；用于产生偏心质量激振，对被测叶片进行垂直方向疲劳加载模拟试验。

所述加载装置包括电机、减速器、输出轴、连杆、可调配重块和减速器底座；电机固定于减速器，减速器固定于减速器底座上；连杆一端固定于输出轴上，另一端安装可调配重块；输出轴、连杆和可调配重块对称分布于加载装置的两侧。

优选地，所述电机为三相交流变频电机，电机的转速通过变频器控制，实现激振频率调节。

所述减速器为螺旋锥齿轮减速器或蜗轮蜗杆减速器，输出轴为两侧长度相等的悬臂结构，两端安装可调配重块，可调配重块为偏心质量块；其中输入轴上传递的扭矩由电机产生后，通过减速器变向并以固定传动比输出到输出轴的两端，从而带动两端的连杆和可调配重块旋转，实现双偏心质量块激振；所述的变向为输出轴与电机轴的夹角为90度。

所述可调配重块、输出轴和连杆由于对称布局导致加载装置两端受力平衡，总负载达到单轴单端偏心质量加载装置总负载的两倍以上，实现大功率风力机叶片疲劳试验的偏心质量激振。

本发明的有益效果为：

1、解决传统的单轴单端装有偏心质量块激振方式带来的沿叶片弦向产生严重偏载力矩的问题，提高测试的准确性；

2、解决传统的单轴单端装有偏心质量块激振方式所造成的输出轴及齿轮处于不平衡受力状态的问题，降低减速器各部件故障的发生概率，提高齿轮箱的使用寿命，从而满足大功率叶片疲劳测试试验的要求；

3、结构简单，拆装方便，结构对称，运行安全性高。

附图说明

图1是本发明的叶片疲劳试验加载装置的主视图示意图；

图2是本发明的俯视图示意图；

图3是本发明工作状态示意图。

图中：1—电机；2—减速器；3—输出轴；4—连杆；5—可调配重块；6—夹具上支架、8—下支架；7—定长螺杆；9—下枕木、10—上枕木；11—叶片；12—减速器底座。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1、图2所示的一种大功率风力机叶片疲劳试验加载装置，所述的装置包括叶片夹具和加载装置，所述叶片夹具由上下两部分支架和枕木组成，通过定长螺杆7连接固定，用于装夹风电叶片，包括夹具上支架6、定长螺杆7、下支架8、下枕木9和上枕木10，夹具上支架6和下支架8与上枕木10和下枕木9通过定长螺杆7连接形成叶片随形腔，实现叶片11夹紧，所述加载装置由减速器底座12与夹具上支架6固定，同叶片夹具相连；用于产生偏心质量激振，对被测叶片11进行垂直方向疲劳加载模拟试验。

所述加载装置包括电机1、减速器2、输出轴3、连杆4、可调配重块5和减速器底座12；电机1固定于减速器2，减速器2固定于减速器底座12上；连杆4一端固定于输出轴3上，另一端安装可调配重块5；输出轴3、连杆4和可调配重块5对称分布于加载装置的两侧。

所述电机1为三相交流变频电机，电机1的转速通过变频器控制，实现激振频率调节。

所述减速器2为螺旋锥齿轮减速器或蜗轮蜗杆减速器，输出轴3为两侧长度相等的悬臂结构，两端安装可调配重块5，可调配重块5为偏心质量块；其中输入轴3上传递的扭矩由电机1产生后，通过减速器2变向并以固定传动比输出到输出轴3的两端，从而带动两端的连杆4和可调配重块5旋转，实现双偏心质量块激振；所述的变向为输出轴3与电机1轴的夹角为90度。

实施例实施过程：参照图3，启动电机1，电机输入转矩经过减速器90o换向及减速带动输出轴3做旋转运动，输出轴3带动连杆4运动使得固定在连杆上的可调配重块5匀速转动产生离心力，离心力作为激振力对叶片做功，带动叶片作简谐振动，从而带动风力机叶片产生疲劳加载，通过变频控制器控制电机的转速与叶片固有频率接近，使得叶片发生共振，通过调整质量块的大小，使得叶片达到试验要求的振幅。

所述旋转偏心质量的确定：采用旋转偏心质量加载方法，最大激振力为：

F＝mw²r (2)

w＝2πn/60 (3)

n＝n₁/i (4)

式中：

m—可调质量块总体质量，单位为kg；

w—质量块绕减速器输出轴的旋转角速度，单位为rad/s；

r—质量块的旋转半径，单位为m；

n—电机的转速，单位为r/min；

n₁—质量块的旋转速度，单位为r/min；

i—减速器的传动比。

以下为具体实施例：

某大型风力机叶片疲劳试验加载装置要求最大激振力为30000N，采用电机功率110kw；减速器速比为1:29；装置的连杆长度为1m，电机转速为1480r/min时，根据式(2)(3)(4)计算得出所需质量块的总体质量为1100kg，即输出轴每端质量块的质量为550kg时即满足要求。

如使用传统的单轴单端安装偏心质量块加载装置进行疲劳试验，由于实验过程中产生离心力的方向与所测叶片重心无法重合，因而产生了一定量的偏心；假设试验中产生的偏心距离为10cm，根据公式(1)得出1100kg的质量块所产生偏心力矩为1100×9.8×0.1＝1078N/m。但在疲劳实验中，由于无法计算在实验过程中不稳定的因素，我们假设该偏心力矩为0；所以当该偏心力矩产生时将严重降低试验精度，从而误导实验结果。

本实施例解决质量块自重偏大时对叶片弦向所产生严重的偏载力矩的问题，在提高测试的准确性的同时，将疲劳试验加载装置所提供的最大激振力提升至为30000N，满足了大功率叶片疲劳测试试验的要求。

Claims (4)

1.一种大功率风力机叶片疲劳试验加载装置，包括叶片夹具和加载装置，所述加载装置与叶片夹具连接，叶片夹具用于装夹风电叶片，其特征在于，所述加载装置，用于产生偏心质量激振，可调配重块(5)对称分布于加载装置的两侧。

2.根据权利要求1所述的大功率风力机叶片疲劳试验加载装置，其特征在于，所述加载装置包括电机(1)、减速器(2)、输出轴(3)、连杆(4)、可调配重块(5)和减速器底座(12)；电机(1)固定于减速器(2)，减速器(2)固定于减速器底座(12)上；连杆(4)一端固定于输出轴(3)上，另一端安装可调配重块(5)；输出轴(3)、连杆(4)和可调配重块(5)对称分布于加载装置的两侧。

3.根据权利要求1或2所述的大功率风力机叶片疲劳试验加载装置，其特征在于，所述叶片夹具由上下两部分支架和枕木组成，通过定长螺杆(7)连接固定，包括夹具上支架(6)、定长螺杆(7)、下支架(8)、下枕木(9)和上枕木(10)；夹具上支架(6)和下支架(8)与上枕木(10)和下枕木(9)通过定长螺杆(7)连接形成叶片随形腔，实现叶片(11)夹紧；所述加载装置由减速器底座(12)与夹具上支架(6)固定。

4.根据权利要求3所述的大功率风力机叶片疲劳试验加载装置，其特征在于，所述电机(1)为三相交流变频电机，减速器(2)为螺旋锥齿轮减速器或蜗轮蜗杆减速器，输出轴(3)为两侧长度相等的悬臂结构，两端安装可调配重块(5)，可调配重块(5)为偏心质量块；

其中输入轴(3)上传递的扭矩由电机(1)产生后，通过减速器(2)变向并以固定传动比输出到两侧的输出轴(3)，从而带动两端的连杆(4)和可调配重块(5)旋转；

所述的通过减速器(2)变向，为输出轴(3)与电机(1)轴的夹角为90度。