CN111811965A - 一种风电叶片疲劳测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电叶片测试技术领域，尤其涉及一种风电叶片疲劳测试装置，包括：叶根支架，用于将叶片的叶根固定；固定框架，且靠近叶尖设置，固定框架朝向叶片的一侧开口设置；叶尖夹具，用于夹紧叶尖并传递驱动力；纵向驱动机构，具有纵向连杆，纵向连杆设置在叶尖夹具的底部，纵向驱动机构用于驱动叶尖夹具在竖直方向上做往复运动；横向驱动机构，具有横向连杆，横向连杆设置在叶尖夹具的侧面，横向驱动机构用于驱动叶尖夹具在水平方向上做往复运动；通过叶尖夹具以及横向驱动机构和纵向驱动机构的驱动，使得叶片在横截面所在的面上做椭圆运动，既模拟了叶片的上下摆动，又模拟了叶片实际运转时风吹方向以及扭曲变形，叶片测试过程受力更加全面。

Description

一种风电叶片疲劳测试装置及方法

技术领域

本发明涉及叶片疲劳测试技术领域，尤其涉及一种风电叶片疲劳测试装置及方法。

背景技术

风电叶片是风电机组中有用捕获风能的要害部件，叶片长度随风电机组单机容量的进步而不断增加，根据相关规范要求，风机叶片必须通过疲劳测试过程才能进行量产阶段。随着风电叶片往大型化方向发展，大型风电叶片的疲劳测试技术开发成为关键瓶颈。

现有技术中，对风电叶片的疲劳测试多采用激振法测试风电叶片疲劳度，即先将叶片的根部固定在一夹具上使得风电叶片悬空，然后将激振器固定在风电叶片长度方向上的中间位置处，通过气动激振器使得叶片以其固有频率进行上下振动；

然而上述测试方案存在测试精度不准的问题，通过实际的风电叶片运行年限验证发现，与测试的结论相差较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种风电叶片疲劳测试装置及方法，提高叶片疲劳测试的精准性。

为了达到上述目的，本发明一方面提供了一种风电叶片疲劳测试装置，包括：

叶根支架，呈龙门型设置，其顶部具有叶根固定夹具，用于将叶片的叶根固定；

固定框架，设置在被固定叶片的一侧，且靠近叶尖设置，所述固定框架朝向叶片的一侧开口设置；

叶尖夹具，固定在叶片的叶尖位置处，用于夹紧叶尖并传递驱动力；

纵向驱动机构，设置在所述固定框架内，具有纵向连杆，所述纵向连杆设置在所述叶尖夹具的底部，且与所述叶尖夹具的底端枢接设置，所述纵向驱动机构用于驱动所述叶尖夹具在竖直方向上做往复运动；

横向驱动机构，设置在所述固定框架内，具有横向连杆，所述横向连杆设置在所述叶尖夹具的侧面，且与所述叶尖夹具的侧壁枢接设置，所述横向驱动机构用于驱动所述叶尖夹具在水平方向上做往复运动；

其中，所述纵向连杆与所述横向连杆在驱动时其两端均可转动连接设置，所述叶尖夹具在所述横向驱动机构和纵向驱动机构的驱动下，在叶片的横截面所在的平面上做椭圆形轨迹运动。

进一步地，所述叶根固定夹具包括上固定板、上夹块、下夹块、下固定板和侧连接板，其中：

所述上夹块底部朝上凹陷设置有上凹槽，所述下夹块顶部朝下凹陷设置有下凹槽，所述上凹槽与下凹槽相对设置，且与夹持部位的叶片仿形设置；所述上固定板设置在所述上夹块顶部，所述下固定板设置在所述下夹块底部，所述侧连接板的两端分别与所述上固定板和下固定板连接。

进一步地，所述上固定板和下固定板之间还穿设有螺杆，所述螺杆用于调节所述上固定板和下固定板之间的距离。

进一步地，还包括固定平台，所述固定平台沿水平方向设置有凸型槽，所述凸型槽沿叶片的横向和纵向设置有多条，所述固定框架底部具有固定板，所述固定板上具有固定孔，所述固定板通过紧固件固定在所述凸型槽上。

进一步地，所述纵向驱动机构还包括水平摆框和纵向驱动件，其中：

所述水平摆框凸出于所述固定框架的开口侧设置，且处于所述固定框架内部的一端铰接在所述固定框架上，所述水平摆框的另一端与所述纵向连杆枢接；

所述纵向驱动件的两端分别与所述水平摆框和固定框架转动连接，以驱动所述水平摆框朝向竖直方向往复摆动。

进一步地，所述横向驱动机构还包括竖摆框和横向驱动件，其中：

所述竖摆框底端铰接在所述固定框架内，并且朝向所述固定框架的开口侧自由摆动设置，所述横向连杆的另一端与所述竖摆框的顶部枢接；

所述横向驱动件的两端分别转动连接在所述竖摆框和固定框架上，用于驱动所述竖摆框往朝向所述固定框架开口侧的方向往复运动。

进一步地，所述横向驱动件和纵向驱动件的两端采用球铰结构连接。

本发明另一方面还提供了一种风电叶片疲劳测试方法，应用上述装置，包括以下步骤：

固定叶片的根部于叶根支架的叶根固定夹具上；

固定叶尖夹具于叶片上待驱动位置处；

确定固定框架在平台上的位置，纵向驱动机构与叶尖夹具的底部连接、横向驱动机构与叶尖夹具的侧壁连接；

设置应力感应装置于所述叶片的设定位置处；

启动所述纵向驱动机构与横向驱动机构，使得叶尖夹具做椭圆轨迹运动；

当应力感应装置显示的数值达到设定疲劳应力值时，停止驱动。

进一步地，所述应力感应装置为应变片，所述应变片的安装位置为通过对叶片的有限元分析确定的危险点。

本发明的有益效果为：本发明通过叶根支架将叶片根部固定，通过叶尖夹具以及横向驱动机构和纵向驱动机构的驱动，使得叶片在横截面所在的面上做椭圆运动，既模拟了叶片的上下摆动，又模拟了叶片实际运转时风吹方向以及扭曲变形，与现有技术相比，叶片测试过程中的受力更加全面，最终获得的测试结果也更加准确。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明实施例中风电叶片疲劳测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中叶根固定夹具的结构示意图；

图3为本发明实施例中图1中的A处局部放大图；

图4为本发明实施例中叶尖夹具被驱动时的结构示意图；

图5为本发明实施例中固定框架的立体结构示意图；

图6为本发明实施例中风电叶片疲劳测试方法的流程图。

附图标记：10、叶根支架；11、叶根固定夹具；111、上固定板；112、上夹块；113、下夹块；114、下固定板；115、侧连接板；116、螺杆；20、固定框架；30、叶尖夹具；40、纵向驱动机构；41、纵向连杆；42、水平摆框；43、纵向驱动件；50、横向驱动机构；51、横向连杆；52、竖摆框；53、横向驱动件；60、固定平台；61、凸型槽。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图5所示的风电叶片疲劳测试装置，包括叶根支架10、固定框架20、叶尖夹具30、纵向驱动机构40和横向驱动机构50，其中：

叶根支架10呈龙门型设置，其顶部具有叶根固定夹具11，用于将叶片的叶根固定；如图1中所示，通过叶根固定夹具11将叶片的根部进行固定，模拟叶片实际运行时固定在机舱上时的状态；

固定框架20设置在被固定叶片的一侧，且靠近叶尖设置，固定框架20朝向叶片的一侧开口设置；固定框架20的主要作用在于将驱动机构固定，对叶片进行驱动，模拟叶片运行时候的实际受力；

叶尖夹具30固定在叶片的叶尖位置处，用于夹紧叶尖并传递驱动力；

纵向驱动机构40设置在固定框架20内，具有纵向连杆41，纵向连杆41设置在叶尖夹具30的底部，且与叶尖夹具30的底端枢接设置，纵向驱动机构40用于驱动叶尖夹具30在竖直方向上做往复运动；

横向驱动机构50设置在固定框架20内，具有横向连杆51，横向连杆51设置在叶尖夹具30的侧面，且与叶尖夹具30的侧壁枢接设置，所述横向驱动机构50用于驱动叶尖夹具30在水平方向上做往复运动；如图4中所述处，通过连接纵杆和连接横杆的设置，使得叶尖夹具30做竖直平面内做椭圆轨迹运动；通过这种设置，全方位的模拟了叶片的实际受力效果，与现有的上下摆动设计，受力效果更加贴合实际。

其中，纵向连杆41与横向连杆51在驱动时其两端均可转动连接设置，叶尖夹具30在横向驱动机构50和纵向驱动机构40的驱动下，在叶片的横截面所在的平面上做椭圆形轨迹运动。

在上述实施例中，通过叶根支架10将叶片根部固定，通过叶尖夹具30以及横向驱动机构50和纵向驱动机构40的驱动，使得叶片在横截面所在的面上做椭圆运动，既模拟了叶片的上下摆动，又模拟了叶片实际运转时风吹方向以及扭曲变形，与现有技术相比，叶片测试过程中的受力更加全面，最终获得的测试结果也更加准确。

为了提高叶片的固定效果，如图2所示，叶根固定夹具11包括上固定板111、上夹块112、下夹块113、下固定板114和侧连接板115，其中：

上夹块112底部朝上凹陷设置有上凹槽，下夹块113顶部朝下凹陷设置有下凹槽，上凹槽与下凹槽相对设置，且与夹持部位的叶片仿形设置；上固定板111设置在上夹块112顶部，下固定板114设置在下夹块113底部，侧连接板115的两端分别与上固定板111和下固定板114连接。这里需要指出的是，叶尖夹具30的固定结构与叶根固定夹具11结构相同部分这里不再赘述，而上夹块112与下夹块113均设置为木质材料，既可以保证不对叶片造成损伤，同时还可以使得对叶尖夹具30进行驱动时，上夹块112与下夹块113之间由于可变形性较差导致的误差也较小，不会由于弹性变形影响测试精度；

进一步地，上固定板111和下固定板114之间还穿设有螺杆116，螺杆116用于调节上固定板111和下固定板114之间的距离。具体的，将螺杆116两端分别穿过上固定板111和下固定板114，然后使用螺母将螺杆116两端紧固，通过对螺杆116的紧固，实现了对上固定板111和下固定板114之间压力的调节，从而对叶片进行更好的夹持。

由于在对叶片进行测试时，不同叶片的规格不相同，导致驱动点也不同，这就需要对驱动机构的位置进行调整，为了保证调整后的固定框架20的稳固性，如图1和图3所示，该装置还包括固定平台60，固定平台60沿水平方向设置有凸型槽61，凸型槽61沿叶片的横向和纵向设置有多条，固定框架20底部具有固定板，固定板上具有固定孔，固定板通过紧固件固定在凸型槽61上。这里的凸型槽61指的是槽的截面的形状为下部较宽，上部较窄的结构，通过将螺母或者螺栓的螺帽放置在下部较宽的部分，可以实现对固定板的固定；而且凸型槽61沿叶片的长度或者宽度方向设置，有利于直线调整，提高调整时的精度。具体在固定时，可以将螺栓倒置放置在凸型槽61内，螺栓上部穿过固定板的固定孔，再将螺母拧紧在固定板上方的螺柱上对固定板进行固定，需要调节时，就拧松螺母即可，通过这设置，既可以提高固定效果，也便于精确调节。同时在叶根支架10和固定框架20侧面还具有斜撑，用于进一步提高稳定效果。

进一步地，关于驱动机构，如图4所示纵向驱动机构40还包括水平摆框42和纵向驱动件43，其中：

水平摆框42凸出于固定框架20的开口侧设置，且处于固定框架20内部的一端铰接在固定框架20上，水平摆框42的另一端与纵向连杆41枢接；

纵向驱动件43的两端分别与水平摆框42和固定框架20转动连接，以驱动水平摆框42朝向竖直方向往复摆动。

横向驱动机构50还包括竖摆框52和横向驱动件53，其中：

竖摆框52底端铰接在固定框架20内，并且朝向固定框架20的开口侧自由摆动设置，横向连杆51的另一端与竖摆框52的顶部枢接；

横向驱动件53的两端分别转动连接在竖摆框52和固定框架20上，用于驱动竖摆框52往朝向固定框架20开口侧的方向往复运动。

通过水平摆框42和竖摆框52的设置，可以更加有利于椭圆轨迹的形成，如图4所示，在具体进行驱动时，首先竖摆框52从竖直位置往左驱动，同时水平摆框42从最高点往下驱动，此时与水平摆框42连接的纵向连杆41会跟随水平摆框42往左移动，同时由于竖摆框52的往左摆动横向连杆51也会下降，通过摆动驱动连杆，更加贴合椭圆的行走轨迹，提高了运行的流畅性；当然这里也可以采用其他驱动机构直线往复驱动横向连杆51和纵向连杆41，但效果没有摆动驱动优异。

为了提高驱动件的驱动效果，横向驱动件53和纵向驱动件43的两端采用球铰结构连接。这里需要指出的是，本发明优选的实施例中，横向驱动件53与纵向驱动件43采用液压缸，也可以采用气压缸或者丝杆电机驱动组件等。通过球铰连接，受力更加均匀，装置的使用寿命更长。

本发明另一方面还提供了一种风电叶片疲劳测试方法，应用上述装置，如图6所示，包括以下步骤：

S10：固定叶片的根部于叶根支架10的叶根固定夹具11上；

S20：固定叶尖夹具30于叶片上待驱动位置处；这里需要指出的是，步骤S10和S20没有先后顺序，既可以先对叶尖夹具30进行固定，也可以先将叶片根部固定在叶根固定夹具11上之后再对叶尖夹具30进行固定。

S30：确定固定框架20在平台上的位置，纵向驱动机构40与叶尖夹具30的底部连接、横向驱动机构50与叶尖夹具30的侧壁连接；这里的连接是指枢接，即如图4中所示，两个耳板中间与连接杆的端部连接面平行，连接杆的端部设置在两个耳板之间，通过转轴连接，使得叶尖夹具30只能在于耳板水平方向相同的方向转动；通过这种限定，防止了叶尖夹具30在叶片长度方向上的偏移，提高了测试精度。

S40：设置应力感应装置于叶片的设定位置处；这里的设定位置的确定方法为先将叶片建模，然后进行有限元分析，找到在受力时的危险点，危险点即应力较大的点，应力感应装置可以是应变片，通过应变片感应出应力变化值。

S50：启动纵向驱动机构40与横向驱动机构50，使得叶尖夹具30做椭圆轨迹运动；

S60：当应力感应装置显示的数值达到设定疲劳应力值时，停止驱动。通过上述设置，完全模拟了叶片在实际运行时受到的朝向转动方向的力、在迎风方向上的受力以及扭曲受力，通过将多种受力转换为椭圆运转，更加贴合叶片的实际变形轨迹，与现有技术相比，大大提高了受力效果，同时提高了测试精度。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，包括：

叶根支架，呈龙门型设置，其顶部具有叶根固定夹具，用于将叶片的叶根固定；

固定框架，设置在被固定叶片的一侧，且靠近叶尖设置，所述固定框架朝向叶片的一侧开口设置；

叶尖夹具，固定在叶片的叶尖位置处，用于夹紧叶尖并传递驱动力；

纵向驱动机构，设置在所述固定框架内，具有纵向连杆，所述纵向连杆设置在所述叶尖夹具的底部，且与所述叶尖夹具的底端枢接设置，所述纵向驱动机构用于驱动所述叶尖夹具在竖直方向上做往复运动；

横向驱动机构，设置在所述固定框架内，具有横向连杆，所述横向连杆设置在所述叶尖夹具的侧面，且与所述叶尖夹具的侧壁枢接设置，所述横向驱动机构用于驱动所述叶尖夹具在水平方向上做往复运动；

其中，所述纵向连杆与所述横向连杆在驱动时其两端均可转动连接设置，所述叶尖夹具在所述横向驱动机构和纵向驱动机构的驱动下，在叶片的横截面所在的平面上做椭圆形轨迹运动。

2.根据权利要求1所述的风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，所述叶根固定夹具包括上固定板、上夹块、下夹块、下固定板和侧连接板，其中：

所述上夹块底部朝上凹陷设置有上凹槽，所述下夹块顶部朝下凹陷设置有下凹槽，所述上凹槽与下凹槽相对设置，且与夹持部位的叶片仿形设置；所述上固定板设置在所述上夹块顶部，所述下固定板设置在所述下夹块底部，所述侧连接板的两端分别与所述上固定板和下固定板连接。

3.根据权利要求2所述的风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，所述上固定板和下固定板之间还穿设有螺杆，所述螺杆用于调节所述上固定板和下固定板之间的距离。

4.根据权利要求1所述的风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，还包括固定平台，所述固定平台沿水平方向设置有凸型槽，所述凸型槽沿叶片的横向和纵向设置有多条，所述固定框架底部具有固定板，所述固定板上具有固定孔，所述固定板通过紧固件固定在所述凸型槽上。

5.根据权利要求1所述的风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，所述纵向驱动机构还包括水平摆框和纵向驱动件，其中：

所述水平摆框凸出于所述固定框架的开口侧设置，且处于所述固定框架内部的一端铰接在所述固定框架上，所述水平摆框的另一端与所述纵向连杆枢接；

所述纵向驱动件的两端分别与所述水平摆框和固定框架转动连接，以驱动所述水平摆框朝向竖直方向往复摆动。

6.根据权利要求5所述的风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，所述横向驱动机构还包括竖摆框和横向驱动件，其中：

所述竖摆框底端铰接在所述固定框架内，并且朝向所述固定框架的开口侧自由摆动设置，所述横向连杆的另一端与所述竖摆框的顶部枢接；

所述横向驱动件的两端分别转动连接在所述竖摆框和固定框架上，用于驱动所述竖摆框往朝向所述固定框架开口侧的方向往复运动。

7.根据权利要求6所述的风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，所述横向驱动件和纵向驱动件的两端采用球铰结构连接。

8.一种风电叶片疲劳测试方法，应用如权利要求1至7任一项所述的风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

固定叶片的根部于叶根支架的叶根固定夹具上；

固定叶尖夹具于叶片上待驱动位置处；

确定固定框架在平台上的位置，纵向驱动机构与叶尖夹具的底部连接、横向驱动机构与叶尖夹具的侧壁连接；

设置应力感应装置于所述叶片的设定位置处；

启动所述纵向驱动机构与横向驱动机构，使得叶尖夹具做椭圆轨迹运动；

当应力感应装置显示的数值达到设定疲劳应力值时，停止驱动。

9.根据权利要求8所述的风电叶片疲劳测试方法，其特征在于，所述应力感应装置为应变片，所述应变片的安装位置为通过对叶片的有限元分析确定的危险点。

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