CN108195577A - 基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置 - Google Patents
基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，包括：叶片夹具和双驱动加载装置，所述双驱动加载装置与所述叶片夹具连接；所述叶片夹具，用于装夹风电叶片；所述双驱动加载装置通过闭环自反馈控制系统进行速度闭环控制，且用于产生偏心质量激振，以带动所述风电叶片沿挥舞方向往复振动。本发明提供的基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，双驱动加载装置通过闭环自反馈控制系统进行速度闭环控制，采用双驱动加载装置可以输出较大的激振力，从而解决叶片挥舞方向疲劳试验激振力大的问题，满足试验的载荷要求。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机组风轮叶片结构试验技术领域，更具体地，涉及基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置。
背景技术
风轮叶片是风力发电机组的关键部件，在风机运行过程中叶片要长期承受较大的风载荷，叶片能否在设计疲劳寿命内安全工作至关重要。叶片疲劳测试是叶片设计、定型、生产过程中重要的测试，通过试验可以模拟叶片20年的运行寿命，可以检验叶片的结构、铺层和粘接设计是否合理，也可发现叶片在生产制造过程中的一些生产缺陷，验证叶片的设计、制造是否满足要求。
目前，叶片疲劳试验的激励模式主要为利用强迫驱动法或共振法对叶片进行加载。其中强迫驱动加载装置能耗高，成本昂贵，且装置故障维修周期长，所以国内大多数采用减速电机带动偏心轮共振法激励。用单轴激励时，需分别对叶片进行展向和弦向的激励，即挥舞方向和摆振方向分别进行疲劳测试。随着风电行业的发展，风力发电机组的功率不断提高，风电叶片的长度不断增加，叶片设计载荷不断增大，尤其是叶片挥舞方向疲劳所需激振力大大增加，常规单电机激励装置已经无法满足叶片疲劳试验所需激振力的要求。
发明内容
为了至少部分地克服现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置。
本发明提供一种基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，包括：叶片夹具和双驱动加载装置，所述双驱动加载装置与所述叶片夹具连接；所述叶片夹具，用于装夹风电叶片；所述双驱动加载装置通过闭环自反馈控制系统进行速度闭环控制，且用于产生偏心质量激振，以带动所述风电叶片沿挥舞方向往复振动。
其中，所述双驱动加载装置包括同步控制器、第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第一伺服电机、第二伺服电机、第一减速机、第二减速机、双驱轴、偏心摆臂机构和减速机机架；其中，所述同步控制器通过所述第一伺服驱动器驱动所述第一伺服电机，所述同步控制器通过所述第二伺服驱动器驱动所述第二伺服电机；所述第一伺服电机与所述第一减速机联接，所述第一减速机的输出轴与所述双驱轴的一端连接；所述双驱轴的另一端与所述第二减速机的输出轴连接，所述第二减速机与所述第二伺服电机联接；所述叶片夹具与所述减速机机架的底部固定连接，所述第一减速机和所述第二减速机分别固定在所述减速机机架的顶部；所述偏心摆臂机构与所述双驱轴连接。
其中，所述双驱动加载装置还包括：第一编码器以及第二编码器；其中，所述第一编码器安装于所述第一伺服电机，用于采集所述第一伺服电机的转动角度信息并实时传输至所述同步控制器；所述第二编码器安装于所述第二伺服电机，用于采集所述第二伺服电机的转动角度信息并实时传输至所述同步控制器。
其中，所述第一减速机的输出轴通过连接套与所述双驱轴的一端连接；所述双驱轴的另一端通过连接套与所述第二减速机的输出轴连接。
其中，所述偏心摆臂机构包括摆臂和质量块，所述摆臂的一端与所述双驱轴连接，所述摆臂的另一端固定有所述质量块。
其中，所述摆臂连接有变频器；其中，所述变频器，用于调节摆臂的振动频率。
其中，还包括应变检测单元、应变处理单元、变频器控制单元以及温度检测单元；其中，所述应变检测单元，用于实时检测风电叶片的应变值，并将所述应变值传输至所述应变处理单元，所述应变处理单元将应变处理结果上传至所述变频器控制单元；所述温度检测单元，用于检测风电叶片疲劳试验时的环境温度，并且所述环境温度上传至所述变频器控制单元；所述变频器控制装置，用于基于所述应变处理结果和所述环境温度控制所述变频器。
其中，所述叶片夹具包括上夹板和下夹板；并且，所述上夹板和所述下夹板的内表面分别相对的固定有上随型件和下随型件，所述上随型件和所述下随型件的内表面分别设有与所述叶片的两侧表面相契合的型线结构；所述上夹板和所述下夹板之间通过螺栓连接固定。
综上，本发明提供一种基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，双驱动加载装置通过闭环自反馈控制系统进行速度闭环控制，双驱动加载装置产生偏心质量激振，以带动通过叶片夹具固定的风电叶片沿挥舞方向往复振动，采用双驱动加载装置可以输出较大的激振力，从而解决叶片挥舞方向疲劳试验激振力大的问题，满足试验的载荷要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的一种基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的一种基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置中叶片夹具的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
图1为根据本发明实施例的一种基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置的结构示意图，如图1所示，包括：叶片夹具和双驱动加载装置，所述双驱动加载装置与所述叶片夹具连接；
所述叶片夹具，用于装夹风电叶片；
所述双驱动加载装置通过闭环自反馈控制系统进行速度闭环控制，且用于产生偏心质量激振，以带动所述风电叶片沿挥舞方向往复振动。
可以理解的是，当双驱动加载装置提供的频率与风电叶片固有频率一致时，两者发生共振从而带动叶片沿挥舞方向往复振动。
在本发明实施例中，双驱动加载装置通过闭环自反馈控制系统进行速度闭环控制，双驱动加载装置产生偏心质量激振，以带动通过叶片夹具固定的风电叶片沿挥舞方向往复振动，采用双驱动加载装置可以输出较大的激振力，从而解决叶片挥舞方向疲劳试验激振力大的问题，满足试验的载荷要求。
在上述实施例的基础上，所述双驱动加载装置包括同步控制器、第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第一伺服电机1、第二伺服电机、第一减速机3、第二减速机、双驱轴4、偏心摆臂机构7和减速机机架6；
其中，所述同步控制器通过所述第一伺服驱动器驱动所述第一伺服电机1，所述同步控制器通过所述第二伺服驱动器驱动所述第二伺服电机；
所述第一伺服电机1与所述第一减速机3联接，所述第一减速机3的输出轴与所述双驱轴4的一端连接；所述双驱轴4的另一端与所述第二减速机的输出轴连接，所述第二减速机与所述第二伺服电机联接；
所述叶片夹具与所述减速机机架6的底部固定连接，所述第一减速机3和所述第二减速机分别固定在所述减速机机架6的顶部；
所述偏心摆臂机构7与所述双驱轴4连接。
可以理解的是，所述第一伺服电机1和所述第二伺服电机均通过电机支撑板2进行固定，所述电机支撑板2固定在减速机机架6上。
具体地，同步控制器采用扭矩同步模式进行控制，通过同步控制器内部PID调节，精确控制第一伺服电机和第二伺服电机扭矩输出，从而达到双轴同步的效果。
在上述实施例的基础上，所述双驱动加载装置还包括：第一编码器以及第二编码器；
其中，所述第一编码器安装于所述第一伺服电机，用于采集所述第一伺服电机的转动角度信息并实时传输至所述同步控制器；
所述第二编码器安装于所述第二伺服电机，用于采集所述第二伺服电机的转动角度信息并实时传输至所述同步控制器。
可以理解的是，通过编码器进行速度与位置反馈，编码器接入伺服电机，实现速度闭环控制，确保系统发出指令和实际运转一致。
在上述实施例的基础上，所述第一减速机3的输出轴通过连接套5与所述双驱轴4的一端连接；所述双驱轴4的另一端通过连接套5与所述第二减速机的输出轴连接。
可以理解的是，第一减速机3的输出轴通过连接套5与双驱轴4的一端连接；双驱轴4的另一端通过连接套5与第二减速机的输出轴连接，以使得第一减速机3和第二减速机产生的扭矩能够同步传递到双驱轴4。
在上述实施例的基础上，所述偏心摆臂机构7包括摆臂和质量块，所述摆臂的一端与所述双驱轴4连接，所述摆臂的另一端固定有所述质量块。
可以理解的是，所述摆臂包括第一连杆、第二连杆以及长螺杆，所述第一连杆和所述第二连杆的一端套设在所述双驱轴4上，并且与其固定；所述长螺杆的一端与所述第一连杆的另一端固定，所述长螺杆的另一端与所述第二连杆的另一端固定，所述质量块与所述长螺杆固定。
在上述实施例的基础上，所述摆臂连接有变频器；其中，所述变频器，用于调节摆臂的振动频率。
可以理解的是，为了便于调节摆臂的转动频率，摆臂连接有用于调节振动频率的变频器。
在上述实施例的基础上，还包括应变检测单元、应变处理单元、变频器控制单元以及温度检测单元；
其中，所述应变检测单元，用于实时检测风电叶片的应变值，并将所述应变值传输至所述应变处理单元，所述应变处理单元将应变处理结果上传至所述变频器控制单元；
所述温度检测单元，用于检测风电叶片疲劳试验时的环境温度，并且所述环境温度上传至所述变频器控制单元；
所述变频器控制装置，用于基于所述应变处理结果和所述环境温度控制所述变频器。
可以理解的是，通过应变检测单元监测风电叶片关键区域的应变，并将所述应变值传输至所述应变处理单元，应变处理单元根据设定的目标应变值，通过与实时应变数据进行比对，变频器控制装置根据温度检测单元获取到的环境温度的变化以及应变处理单元应变数据比对结果，按照0.01hZ的步伐调整变频器的控制频率，温度升高向下调整频率，温度降低则向上调整频率。
图2为根据本发明实施例的一种基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置中叶片夹具的结构示意图，如图2所示，所述叶片夹具包括上夹板8和下夹板9；并且，所述上夹板8和所述下夹板9的内表面分别相对的固定有上随型件10和下随型件11，所述上随型件10和所述下随型件11的内表面分别设有与所述叶片的两侧表面相契合的型线结构；
所述上夹板8和所述下夹板9之间通过螺栓连接固定。
可以理解的是，上夹板8与减速机机架6的底部固定连接，为了更方便上随型件10、下随型件11和叶片更好的贴合，上随型件10和下随型件11采用木制，由多个木块拼接而成。
实施例1
本实施例提供的基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置在安装时，首先将预设夹持在叶片上侧的上随型件10与上夹板8的内表面粘接为一体，将预设夹持在叶片下侧的下随型件11与下夹板9的内表面粘接为一体，也可采用锚固或其他连接方式；然后，利用起重机将上夹板8和下夹板9分别放置在叶片加载截面的上下两侧表面外，使上随型件10和下随型件11分别能与叶片的上下两侧表面紧密贴合在一起；最后利用四组连接螺栓将上夹板8和下夹板9固定在叶片加载截面位置外，从而完成叶片夹持工序。
完成叶片夹持工序后，将第一伺服电机1与第一减速机3联接，第一减速机3的输出轴与双驱轴4的一端连接；双驱轴4的另一端与第二减速机的输出轴连接，第二减速机与第二伺服电机联接；叶片夹具与减速机机架6的底部固定连接，第一减速机3和第二减速机分别固定在减速机机架6的顶部；偏心摆臂机构7与双驱轴4连接，并最终完成该装置的整体组装。
装置安装完成后，启动第一伺服电机1和第二伺服电机，通过第一减速机3和第二减速机的输出轴转动以使得双驱轴的转动，以带动摆臂转动，并通过外接的变频器调节摆臂转动频率，当摆臂转动频率均同叶片固有频率一致时，发生共振现象，从而带动叶片在挥舞方向振动，在该实验中可以通过调节偏心质量块的重量，来调节施加在叶片上的垂直方向的载荷，从而满足叶片疲劳试验的目标载荷要求。
优选地，在本实施例中L1为1000mm，L2为1829mm。
综上所述，通过双驱动加载装置产生偏心质量激振，以带动通过叶片夹具固定的风电叶片沿挥舞方向往复振动，采用双驱动加载装置可以输出较大的激振力，从而解决叶片挥舞方向疲劳试验激振力大的问题，满足试验的载荷要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，其特征在于，包括：叶片夹具和双驱动加载装置，所述双驱动加载装置与所述叶片夹具连接；
所述叶片夹具，用于装夹风电叶片；
所述双驱动加载装置通过闭环自反馈控制系统进行速度闭环控制，且用于产生偏心质量激振，以带动所述风电叶片沿挥舞方向往复振动。
2.根据权利要求1所述的基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，其特征在于，所述双驱动加载装置包括同步控制器、第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第一伺服电机、第二伺服电机、第一减速机、第二减速机、双驱轴、偏心摆臂机构和减速机机架；
其中，所述同步控制器通过所述第一伺服驱动器驱动所述第一伺服电机，所述同步控制器通过所述第二伺服驱动器驱动所述第二伺服电机；
所述第一伺服电机与所述第一减速机联接，所述第一减速机的输出轴与所述双驱轴的一端连接；所述双驱轴的另一端与所述第二减速机的输出轴连接，所述第二减速机与所述第二伺服电机联接；
所述叶片夹具与所述减速机机架的底部固定连接，所述第一减速机和所述第二减速机分别固定在所述减速机机架的顶部；
所述偏心摆臂机构与所述双驱轴连接。
3.根据权利要求2所述的基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，其特征在于，所述双驱动加载装置还包括：第一编码器以及第二编码器；
其中，所述第一编码器安装于所述第一伺服电机，用于采集所述第一伺服电机的转动角度信息并实时传输至所述同步控制器；
所述第二编码器安装于所述第二伺服电机，用于采集所述第二伺服电机的转动角度信息并实时传输至所述同步控制器。
4.根据权利要求2所述的基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，其特征在于，所述第一减速机的输出轴通过连接套与所述双驱轴的一端连接；所述双驱轴的另一端通过连接套与所述第二减速机的输出轴连接。
5.根据权利要求2所述的基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，其特征在于，所述偏心摆臂机构包括摆臂和质量块，所述摆臂的一端与所述双驱轴连接，所述摆臂的另一端固定有所述质量块。
6.根据权利要求5所述的基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，其特征在于，所述摆臂连接有变频器；
其中，所述变频器，用于调节摆臂的振动频率。
7.根据权利要求6所述的基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，其特征在于，还包括应变检测单元、应变处理单元、变频器控制单元以及温度检测单元；
其中，所述应变检测单元，用于实时检测风电叶片的应变值，并将所述应变值传输至所述应变处理单元，所述应变处理单元将应变处理结果上传至所述变频器控制单元；
所述温度检测单元，用于检测风电叶片疲劳试验时的环境温度，并且所述环境温度上传至所述变频器控制单元；
所述变频器控制装置，用于基于所述应变处理结果和所述环境温度控制所述变频器。
8.根据权利要求1所述的基于闭环自反馈控制系统的风电叶片疲劳试验加载装置，其特征在于，所述叶片夹具包括上夹板和下夹板；
并且，所述上夹板和所述下夹板的内表面分别相对的固定有上随型件和下随型件，所述上随型件和所述下随型件的内表面分别设有与所述叶片的两侧表面相契合的型线结构；
所述上夹板和所述下夹板之间通过螺栓连接固定。
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