CN113465899B - 一种风电叶片动态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动态疲劳测试装置及方法，包括；第一摆幅控制机构和第二摆幅控制机构，第一摆幅控制机构包括横向驱动组件、纵向驱动组件和支撑框架，第二摆幅控制机构包括摆锤组件、弹性牵引组件和摆幅支架，横向驱动组件驱动风电叶片在水平方向上做往复运动，纵向驱动组件驱动风电叶片在竖直方向往复摆动，使风电叶片的叶尖以椭圆形轨迹往复运动，摆锤组件与弹性牵引组件回收第一摆幅控制机构的摆幅能量，从而控制风电叶片负载和摆动频率。与现有技术相比，该风电叶片测试装置结构简单，通过摆锤组件和弹性牵引组件，能够有效回收能量，降低了测试能耗，缩短了测试周期。

Description

一种风电叶片动态疲劳测试装置及方法

技术领域

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动态疲劳测试装置及方法。

背景技术

风电对于缓解能源供应、改善能源结结构、保护环境等方面意义重大。这些年，风电机组在我国得到了广泛的安装使用。由于风力发电机组通常处于野外，环境条件恶劣，容易出现故障，维修起来耗费大量人力物力，对风机的可靠性要求越来越高。为了满足风电叶片20年使用寿命的设计要求，风电叶片需要进行非常定载荷作用下全尺寸的疲劳测试，模拟恶劣条件运行工况中所发生的疲劳破坏。

然而目前叶片疲劳一般采用液压法测试，使用大型液压装置强迫叶片在实验方向进行往复运动，直到达到疲劳试验要求的循环次数，整体测试结构复杂，需要有高强度高动力源的液压装备往复运动百万余次，导致测试周期长数周至两个月不等，能耗高，综合成本巨大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种风电叶片动态疲劳测试装置及方法，降低测试能耗，缩短测试周期。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种风电叶片动态疲劳测试装置，包括风电叶片及沿所述风电叶片长度方向设置的第一叶尖夹具和第二叶尖夹具，还包括；

龙门支架，所述风电叶片的根部固定在所述龙门支架上，所述龙门支架固定在平台上；

第一摆幅控制机构，所述第一摆幅控制机构包括横向驱动组件、纵向驱动组件和支撑框架，所述支撑框架设置在所述风电叶片的一侧，所述横向驱动组件和所述纵向驱动组件均连接在所述支撑框架上，且分别与所述第一叶尖夹具的侧壁和底端连接；

第二摆幅控制机构，所述第二摆幅控制机构包括摆锤组件、弹性牵引组件和摆幅支架，所述摆幅支架固定在所述风电叶片的另一侧，所述摆锤组件摆动连接在所述摆幅支架上，其所述摆锤组件上方通过连杆与所述第二叶尖夹具的侧壁相连，所述弹性牵引组件设置在所述第二叶尖夹具下方，且通过连杆与所述第二叶尖夹具底部连接；

其中，所述横向驱动组件驱动所述风电叶片在水平方向上做往复运动，所述纵向驱动组件驱动所述风电叶片在竖直方向往复摆动，使所述风电叶片的叶尖以椭圆形轨迹往复运动，所述摆锤组件与所述弹性牵引组件回收所述第一摆幅控制机构的摆幅能量，从而控制风电叶片负载和摆动频率。

进一步地，所述横向驱动组件和所述纵向驱动组件均通过油缸驱动，所述横向驱动组件中的所述油缸一端与所述支撑框架转动连接，另一端与所述第一叶尖夹具的侧壁转动连接；

所述纵向驱动组件还包括水平框梁，所述水平框梁转动连接在所述支撑框架内，且所述水平框梁一端与所述油缸连接，延伸出所述支撑框架的一端通过连杆与所述第一叶尖夹具的底部转动连接。

进一步地，所述摆幅支架包括至少两个支撑组件及连接两个所述支撑组件的活动轴，两个所述支撑组件远离所述风电叶片的一端通过加强梁固定连接，所述摆锤组件摆动连接在所述活动轴上。

进一步地，所述支撑组件包括横梁、竖直梁和斜支撑，所述横梁固定在所述平台上，所述竖直梁垂直于所述横梁通过角件固定连接，所述斜支撑设置在靠近所述风电叶片的一侧，且所述斜支撑两端分别与所述横梁和所述竖直梁固定连接。

进一步地，所述横梁、所述竖直梁、所述斜支撑和所述加强梁均采用工字钢。

进一步地，所述摆锤组件包括摆臂，所述摆臂竖直设置，且位于所述摆臂下方设有若干配重块，所述摆臂上方设有连接活动块，所述摆臂上设有摆杆连接件，所述摆杆连接件转动连接在所述摆幅支架上。

进一步地，所述摆臂沿竖直方向均布设有若干固定孔，所述连接活动块和所述摆杆连接件通过若干所述固定孔设置在所述摆臂的任意位置，且所述连接活动块与所述配重块之间的距离大于所述摆杆连接件与所述配重块之间的距离。

进一步地，所述弹性牵引组件包括弹性件和两个固定座，所述弹性件两端部及中心位置均设置有抱箍，所述中心位置的所述抱箍通过连杆与所述第二叶尖夹具的底部连接，所述弹性件两端的两个所述抱箍分别滑动连接在两个所述固定座内。

进一步地，所述固定座包括垫高块、底板和两个固定板，垫高块固定在所述平台上，所述底板固定在所述垫高块上，两个所述固定板对称设置在所述底板上，且所述底板与两个所述固定板相对设有滑槽；

所述弹性件两端的两个所述抱箍上均设有轴承，所述抱箍通过所述轴承滑动连接在所述滑槽内。

本发明还提供了一种风电叶片动态疲劳测试方法，应用如上所述的风电叶片动态疲劳测试装置，包括以下步骤：

将风电叶片的根部固定在龙门支架上；

在风电叶片的叶尖处设置第一叶尖夹具和第二叶尖夹具；

确定第一摆幅控制机构的支撑框架在平台上的位置，将横向驱动组件与第一叶尖夹具的侧壁连接，纵向驱动组件与第一叶尖夹具的底部连接；

确定第二摆幅控制机构的摆幅支架和弹性牵引组件在平台上的位置，摆锤组件与摆幅支架转动连接，使摆锤组件与第二叶尖夹具的侧壁连接，弹性牵引组件与第二叶尖夹具的底部连接；

启动横向驱动组件和纵向驱动组件，使第一叶尖夹具做椭圆轨迹运动，而摆锤组件与弹性牵引组件通过第二叶尖夹具回收第一摆幅控制机构的摆幅能量来控制风电叶片负载和摆动频率。

本发明的有益效果为：与现有技术相比，该风电叶片测试装置结构简单，通过摆锤组件和弹性牵引组件，能够有效回收能量，降低了测试能耗，且摆锤组件和弹性牵引组件纯机械式测试方案在成本控制具有优势，同时通过改变摆锤质量、摆锤长度和更换弹性复合材料，可以有效控制风电叶片负载和摆动频率，缩短了测试周期。

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动态疲劳测试装置的轴测图；

图2为本发明实施例中风电叶片动态疲劳测试装置的正视图；

图3为本发明实施例中风电叶片动态疲劳测试装置的俯视图；

图4为本发明实施例中风电叶片动态疲劳测试装置的左视图；

图5为本发明实施例中第一摆幅控制机构的运动示意图；

图6为本发明实施例中第一摆幅控制机构的立体结构视图；

图7为本发明实施例中第二摆幅控制机构的运动示意图；

图8为本发明实施例中第二摆幅控制机构的立体结构视图；

图9为本发明实施例中弹性牵引组件的结构视图；

图10为图9的A向视图；

图11为本发明实施例中固定座的结构示意图；

图12为本发明实施例中风电叶片动态疲劳测试方法的流程图。

附图标记：1、风电叶片；2、第一叶尖夹具；3、第二叶尖夹具；4、龙门支架；5、第一摆幅控制机构；51、横向驱动组件；52、纵向驱动组件；521、水平框梁；53、支撑框架；6、第二摆幅控制机构；61、摆锤组件；611、摆臂；612、配重块；613、连接活动块；614、摆杆连接件；62、弹性牵引组件；621、弹性件；622、固定座；6221、垫高块；6222、底板；6223、固定板；623、抱箍；624、轴承；63、摆幅支架；631、支撑组件；6311、横梁；6312、竖直梁；6313、斜支撑；6314、加强梁；632、活动轴；7、平台。

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。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11所示的一种风电叶片1动态疲劳测试装置，包括风电叶片1及沿风电叶片1长度方向设置的第一叶尖夹具2和第二叶尖夹具3，其中，还包括：龙门支架4，风电叶片1的根部固定在龙门支架4上，龙门支架4固定在平台7上；第一摆幅控制机构5，第一摆幅控制机构5包括横向驱动组件51、纵向驱动组件52和支撑框架53，支撑框架53设置在风电叶片1的一侧，横向驱动组件51和纵向驱动组件52均连接在支撑框架53上，且分别与第一叶尖夹具2的侧壁和底端转动连接；第二摆幅控制机构6，第二摆幅控制机构6包括摆锤组件61、弹性牵引组件62和摆幅支架63，摆幅支架63固定在风电叶片1的另一侧，摆锤组件61摆动连接在摆幅支架63上，其摆锤组件61上方通过连杆与第二叶尖夹具3的侧壁相连，弹性牵引组件62设置在第二叶尖夹具3下方，且通过连杆与第二叶尖夹具3底部连接。需要说明的是支撑框架53与摆幅支架63分别设置在风电叶片1的不同侧。

其中，横向驱动组件51驱动风电叶片1在水平方向上做往复运动，纵向驱动组件52驱动风电叶片1在竖直方向往复摆动，使风电叶片1的叶尖以椭圆形轨迹往复运动，摆锤组件61与弹性牵引组件62回收第一摆幅控制机构5的摆幅能量，从而控制风电叶片1负载和摆动频率。

本发明优选实施例实施过程，首先将风电叶片1的根部固定在龙门支架4上，第一叶尖夹具2和第二叶尖夹具3固定安装在风电叶片1叶尖处，其次第一摆幅控制机构5和第二摆幅控制机构6分别设置在风电叶片1的两侧，其中第一摆幅控制机构5中的支撑框架53固定在平台7上，横向驱动组件51一端转动连接在支撑框架53上，另一端转动连接在第一叶尖夹具2的侧壁上，纵向驱动组件52转动连接在第一叶尖夹具2的底部，而第二摆幅控制机构6中的摆幅支架63固定在平台7上，摆锤组件61转动连接在摆幅支架63上，且摆锤组件61的上方与第二叶尖夹具3的侧壁转动连接，弹性牵引组件62固定在风电叶片1下方的平台7上，弹性牵引组件62与第二叶尖夹具3的底部转动连接；

当疲劳测试装置处于初始状态时，横向驱动组件51和纵向驱动组件52不提供驱动力情况下，摆锤组件61和弹性牵引组件62处于静止；而当启动横向驱动组件51和纵向驱动组件52时，横向驱动组件51驱动第一叶尖夹具2带动风电叶片1产生水平方向的位移，纵向驱动组件52驱动第一叶尖夹具2带动风电叶片1产生竖直方向的位移，最终使第一叶尖夹具2带动风电叶片1的叶尖呈椭圆轨迹运动，此时第二叶尖夹具3也跟随第一叶尖夹具2沿椭圆轨迹运动，摆锤组件61和弹性牵引组件62在第二叶尖夹具3运动时开始动作，通过摆锤组件61控制叶尖的横向摆幅，通过弹性牵引组件62控制叶尖的纵向摆幅，与现有技术相比，该风电叶片1疲劳测试装置结构简单，通过摆锤组件61和弹性牵引组件62能够有效回收能量，降低测试能耗，摆锤组件61和弹性牵引组件62的纯机械式测试方式在成本控制具有优势，同时通过改变摆锤质量、摆锤长度和更换弹性复合材料，可以有效控制风电叶片1负载和摆动频率，缩短测试周期。

本发明优选实施例中，横向驱动组件51和纵向驱动组件52均通过油缸驱动，横向驱动组件51中的油缸一端与支撑框架53活动连接，另一端与第一叶尖夹具2的侧壁连接；纵向驱动组件52还包括水平框梁521，水平框梁521转动连接在支撑框架53内，且水平框梁521一端与油缸连接，延伸出支撑框架53的一端通过连杆与第一叶尖夹具2的底部连接。

本发明中的横向驱动组件51采用油缸直接驱动第一叶尖夹具2，结构简单，便于驱动力控制，而纵向驱动组件52的油缸竖直设置，通过油缸驱动水平框梁521在水平方向上转动从而带动风电叶片1在竖直方向上摆动，其油缸的两端连接处均采用球铰连接，使受力更加均匀，保证了椭圆形运动轨迹运行可实施性，提高了测试过程的稳定性。

本发明优选实施例中，具体地，摆幅支架63包括至少两个支撑组件631及连接两个支撑组件631的活动轴632，两个支撑组件631远离风电叶片1的一端通过加强梁6314固定连接，摆锤组件61摆动连接在活动轴632上，具体地，支撑组件631包括横梁6311、竖直梁6312和斜支撑6313，横梁6311固定在平台7上，竖直梁6312垂直于横梁6311通过角件固定连接，斜支撑6313设置在靠近风电叶片1的一侧，且斜支撑6313两端分别与横梁6311和竖直梁6312固定连接。

为了保证测试装置具备承受试验载荷的能力，横梁6311、竖直梁6312、斜支撑6313和加强梁6314均采用工字钢，提高测试的可靠性。

在对风电叶片1进行测试时，由于风电叶片1的规格不同，导致摆臂611驱动力不同，因此为了满足不同规格风电叶片1的测试，需要改变摆锤质量、摆锤长度，具体地，摆锤组件61包括摆臂611，摆臂611竖直设置，且位于摆臂611下方设有若干配重块612，摆臂611上方设有连接活动块613，摆臂611上设有摆杆连接件614，摆杆连接件614转动连接在摆幅支架63上。摆臂611沿竖直方向均布设有若干固定孔，连接活动块613和摆杆连接件614通过若干固定孔设置在摆臂611的任意位置，且连接活动块613与配重块612之间的距离大于摆杆连接件614与配重块612之间的距离。

本发明优选实施例中，弹性牵引组件62包括弹性件621和两个固定座622，弹性件621两端部及中心位置均设置有抱箍623，中心位置的抱箍623通过连杆与第二叶尖夹具3的底部连接，弹性件621两端的两个抱箍623分别滑动连接在两个固定座622内。需要说明的是，第二叶尖夹具3通过连杆将力施加在弹性件621上，弹性件621的中心位置隆起或凹陷，随之两端部的抱箍623在固定座622内滑动，弹性件621优选为弹性复合材料，使用寿命更长，减少了更换次数，降低测试成本，可以有效控制负载和摆动频率。

在上述实施例基础上，固定座622包括垫高块6221、底板6222和两个固定板6223，垫高块6221固定在平台7上，底板6222固定在垫高块6221上，两个固定板6223对称设置在底板6222上，且底板6222与两个固定板6223相对设有滑槽；为了减少滑动摩擦力，弹性件621两端的两个抱箍623上均设有轴承624，抱箍623通过轴承624滑动连接在滑槽内，其滑槽内设置多个挡块，当叶尖处摆幅大于预定值时，有效避免了抱箍623在滑槽内脱轨现象的发生。

本发明还提供了一种风电叶片1动态疲劳测试方法，应用如上所述的风电叶片1动态疲劳测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

将风电叶片1的根部固定在龙门支架4上；

在风电叶片1的叶尖处设置第一叶尖夹具2和第二叶尖夹具3；

确定第一摆幅控制机构5的支撑框架53在平台7上的位置，将横向驱动组件51与第一叶尖夹具2的侧壁连接，纵向驱动组件52与第一叶尖夹具2的底部连接；

确定第二摆幅控制机构6的摆幅支架63在平台7上的位置，摆锤组件61与摆幅支架63转动连接，确定弹性牵引组件62在平台7上的位置，使摆锤组件61与第二叶尖夹具3的侧壁连接，弹性牵引组件62与第二叶尖夹具3的底部连接；

启动横向驱动组件51和纵向驱动组件52，使第一叶尖夹具2做椭圆轨迹运动，而摆锤组件61与弹性牵引组件62通过第二叶尖夹具3回收第一摆幅控制机构5的摆幅能量来控制风电叶片1负载和摆动频率。

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 (10)

1.一种风电叶片动态疲劳测试装置，包括风电叶片(1)及沿所述风电叶片(1)长度方向设置的第一叶尖夹具(2)和第二叶尖夹具(3)，其特征在于，还包括；

龙门支架(4)，所述风电叶片(1)的根部固定在所述龙门支架(4)上，所述龙门支架(4)固定在平台(7)上；

第一摆幅控制机构(5)，所述第一摆幅控制机构(5)包括横向驱动组件(51)、纵向驱动组件(52)和支撑框架(53)，所述支撑框架(53)设置在所述风电叶片(1)的一侧，所述横向驱动组件(51)和所述纵向驱动组件(52)均连接在所述支撑框架(53)上，且分别与所述第一叶尖夹具(2)的侧壁和底端连接；

第二摆幅控制机构(6)，所述第二摆幅控制机构(6)包括摆锤组件(61)、弹性牵引组件(62)和摆幅支架(63)，所述摆幅支架(63)固定在所述风电叶片(1)的另一侧，所述摆锤组件(61)摆动连接在所述摆幅支架(63)上，其所述摆锤组件(61)上方通过连杆与所述第二叶尖夹具(3)的侧壁相连，所述弹性牵引组件(62)设置在所述第二叶尖夹具(3)下方，且通过连杆与所述第二叶尖夹具(3)底部连接；

其中，所述横向驱动组件(51)驱动所述风电叶片(1)在水平方向上做往复运动，所述纵向驱动组件(52)驱动所述风电叶片(1)在竖直方向往复摆动，使所述风电叶片(1)的叶尖以椭圆形轨迹往复运动，所述摆锤组件(61)与所述弹性牵引组件(62)回收所述第一摆幅控制机构(5)的摆幅能量，从而控制风电叶片(1)负载和摆动频率。

2.根据权利要求1所述的风电叶片动态疲劳测试装置，其特征在于，所述横向驱动组件(51)和所述纵向驱动组件(52)均通过油缸驱动，所述横向驱动组件(51)中的所述油缸一端与所述支撑框架(53)转动连接，另一端与所述第一叶尖夹具(2)的侧壁转动连接；

所述纵向驱动组件(52)还包括水平框梁(521)，所述水平框梁(521)转动连接在所述支撑框架(53)内，且所述水平框梁(521)一端与所述油缸连接，延伸出所述支撑框架(53)的一端通过连杆与所述第一叶尖夹具(2)的底部转动连接。

3.根据权利要求1所述的风电叶片动态疲劳测试装置，其特征在于，所述摆幅支架(63)包括至少两个支撑组件(631)及连接两个所述支撑组件(631)的活动轴(632)，两个所述支撑组件(631)远离所述风电叶片(1)的一端通过加强梁(6314)固定连接，所述摆锤组件(61)摆动连接在所述活动轴(632)上。

4.根据权利要求3所述的风电叶片动态疲劳测试装置，其特征在于，所述支撑组件(631)包括横梁(6311)、竖直梁(6312)和斜支撑(6313)，所述横梁(6311)固定在所述平台(7)上，所述竖直梁(6312)垂直于所述横梁(6311)通过角件固定连接，所述斜支撑(6313)设置在靠近所述风电叶片(1)的一侧，且所述斜支撑(6313)两端分别与所述横梁(6311)和所述竖直梁(6312)固定连接。

5.根据权利要求4所述的风电叶片动态疲劳测试装置，其特征在于，所述横梁(6311)、所述竖直梁(6312)、所述斜支撑(6313)和所述加强梁(6314)均采用工字钢。

6.根据权利要求1所述的风电叶片动态疲劳测试装置，其特征在于，所述摆锤组件(61)包括摆臂(611)，所述摆臂(611)竖直设置，且位于所述摆臂(611)下方设有若干配重块(612)，所述摆臂(611)上方设有连接活动块(613)，所述摆臂(611)上设有摆杆连接件(614)，所述摆杆连接件(614)转动连接在所述摆幅支架(63)上。

7.根据权利要求6所述的风电叶片动态疲劳测试装置，其特征在于，所述摆臂(611)沿竖直方向均布设有若干固定孔，所述连接活动块(613)和所述摆杆连接件(614)通过若干所述固定孔设置在所述摆臂(611)的任意位置，且所述连接活动块(613)与所述配重块(612)之间的距离大于所述摆杆连接件(614)与所述配重块(612)之间的距离。

8.根据权利要求1所述的风电叶片动态疲劳测试装置，其特征在于，所述弹性牵引组件(62)包括弹性件(621)和两个固定座(622)，所述弹性件(621)两端部及中心位置均设置有抱箍(623)，所述中心位置的所述抱箍(623)通过连杆与所述第二叶尖夹具(3)的底部连接，所述弹性件(621)两端的两个所述抱箍(623)分别滑动连接在两个所述固定座(622)内。

9.根据权利要求8所述的风电叶片动态疲劳测试装置，其特征在于，所述固定座(622)包括垫高块(6221)、底板(6222)和两个固定板(6223)，垫高块(6221)固定在所述平台(7)上，所述底板(6222)固定在所述垫高块(6221)上，两个所述固定板(6223)对称设置在所述底板(6222)上，且所述底板(6222)与两个所述固定板(6223)相对设有滑槽；

所述弹性件(621)两端的两个所述抱箍(623)上均设有轴承(624)，所述抱箍(623)通过所述轴承(624)滑动连接在所述滑槽内。

10.一种风电叶片动态疲劳测试方法，应用如权利要求1至9任一项所述的风电叶片动态疲劳测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

将风电叶片(1)的根部固定在龙门支架(4)上；

在风电叶片(1)的叶尖处设置第一叶尖夹具(2)和第二叶尖夹具(3)；

确定第一摆幅控制机构(5)的支撑框架(53)在平台(7)上的位置，将横向驱动组件(51)与第一叶尖夹具(2)的侧壁连接，纵向驱动组件(52)与第一叶尖夹具(2)的底部连接；

确定第二摆幅控制机构(6)的摆幅支架(63)和弹性牵引组件(62)在平台(7)上的位置，摆锤组件(61)与摆幅支架(63)转动连接，使摆锤组件(61)与第二叶尖夹具(3)的侧壁连接，弹性牵引组件(62)与第二叶尖夹具(3)的底部连接；

启动横向驱动组件(51)和纵向驱动组件(52)，使第一叶尖夹具(2)做椭圆轨迹运动，而摆锤组件(61)与弹性牵引组件(62)通过第二叶尖夹具(3)回收第一摆幅控制机构(5)的摆幅能量来控制风电叶片(1)负载和摆动频率。