CN115127943A - 一种风力机叶片多功能测试平台及测试方法 - Google Patents

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CN115127943A CN202210795739.0A CN202210795739A CN115127943A CN 115127943 A CN115127943 A CN 115127943A CN 202210795739 A CN202210795739 A CN 202210795739A CN 115127943 A CN115127943 A CN 115127943A
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Abstract

本发明公开一种风力机叶片多功能测试平台及测试方法，属于风力机叶片测试技术领域。所述测试平台包括主机单元、加载框架、垂直作动器、水平作动器、铁地板平台、三脚支架、立柱调节装置、夹持工装、夹持基座、液压单元、液压子站、液压管路、控制器、计算机软件单元。该测试平台实现叶片某一指定结构区域结构及缺陷影响的针对性测试；测试平台设计成了水平及立式两种，避免因测试件自身重力造成形变影响测试结果，同时不同加载姿态也可以满足各种测试特性的需要。所述测试方法包括结构测试、静态及动态试验测试，可以针对性地对叶片局部区域结构性能或缺陷的影响进行测试的同时实现构件级叶片挥舞及摆阵方向同时加载的双轴性能测试研究。

Description

一种风力机叶片多功能测试平台及测试方法
技术领域
本发明属于风力机叶片测试技术领域，具体涉及一种风力机叶片多功能测试平台及测试方法。
背景技术
当前，风力机叶片的健康维护是行业面临的一个重要难题，在风电行业智能化发展的今天，作为风电三大部件之一的叶片，自身的历史数据体系却一直处于缺失状态，现有技术中没有全面的叶片维护及故障跟踪数据，以运维为主体的数据发生了断层。当在役风力机叶片出现故障后，参考有效依据对故障进行评估，并为修复周期和方案提供指导，变得尤为重要。现有技术中的测试平台容易受多重因素影响，不能满足各种测试特性的需要。
风力机叶片性能研究及故障评估，多采用材料测试、全尺寸实验及有限元软件模拟分析等方法。其中，有限元分析属于模拟理论研究，无法直观反映叶片转动运行过程中力学性能参数变化及故障演化。材料测试属于材质性能研究，评估叶片整体性能存在局限性。而采用全尺寸叶片进行故障测试评估时，首先是叶片加工制造期间，各区域均会存在不同程度的缺陷或缺陷修复情况，整体试验时，不同结构缺陷之间互相影响，对各类缺陷故障的性能检测和演化评估带来不便，其次全尺寸测试方法时间长、成本高，增加了实验和评估的难度。对于运行中的风力机叶片损伤理论分析不足、实验研究困难、损伤演化过程不明确。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是为了提供一种风力机叶片多功能测试平台及测试方法，所述测试平台及测试方法对叶片某一段结构件进行产品结构、静力及多方向疲劳等综合力学性能测试，通过实验及仿真相结合的方式，完成对运行中的风力机叶片的损伤评估与寿命预测。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供了一种风力机叶片多功能测试平台，包括铁地板平台、加载框架、三脚支架、夹持工装、夹持基座及伺服作动器；
所述加载框架设置在铁地板平台上；所述夹持基座设置在位于所述加载框架下方的铁地板平台上；所述伺服作动器设置在所述加载框架上；所述三脚支架垂直设置在铁地板平台上；
测试样件立式安装时，所述测试样件的下端与夹持基座连接，所述测试样件的上端通过所述夹持工装与伺服动作器连接；
测试样件水平安装时，所述测试样件的一端通过所述夹持工装与所述三脚支架连接，所述测试样件的另一端通过所述夹持工装与所述伺服作动器连接。
本发明进一步，所述加载框架为龙门结构，所述龙门结构包括横梁和两个立柱；两个所述立柱设置在铁地板平台上，所述横梁设置在所述立柱的顶部。
本发明进一步，所述伺服作动器包括垂直伺服作动器、水平伺服作动器；所述垂直伺服作动器设置在所述加载框架的横梁的中间部位；所述水平伺服作动器与所述加载框架的立柱垂直设置。
本发明进一步，所述多功能测试平台还包括立柱调节装置，所述立柱调节装置相互叠放；所述立柱调节装置设置在所述横梁两端的底部与两个立柱顶部之间，用于调节加载框架上所述横梁的高度。
本发明进一步，所述铁地板平台由若干个均一的铁地板构成；若干个所述铁地板依次铺设，相邻铁地板之间通过螺栓连接。
本发明进一步，所述铁地板上设置有若干个地脚螺栓孔；所述地脚螺栓孔上安装有地锚器。
本发明进一步，所述多功能测试平台还包括液压单元、控制器及计算机软件单元；所述控制器与液压单元电连接；所述控制器与计算机软件单元电连接；所述控制器与伺服作动器通过有线信道连接。
本发明进一步，所述铁地板平台上设置有液压子站；所述液压单元与液压子站通过液压管路连接；所述液压单元与所述伺服作动器之间油路连接。
采用所述的一种风力机叶片多功能测试平台的测试方法，包括以下步骤：
S1：将测试样件与伺服作动器固定连接；
S2：在计算机软件单元中输入测试区域构件级叶片加载点数量、位置及载荷，并启动控制器；
S3：所述控制器驱动伺服作动器进行测试；
S4：所述伺服作动器中的传感器将应变力信号传送给所述控制器，所述控制器将收到信号传送到计算机软件单元中的测试软件，所述计算机软件单元对测试数据进行记录及分析。
本发明进一步，所述测试包括结构测试、静态实验测试及动态试验测试；所述结构测试，将测试样件立式安装并与垂直作动器连接；所述静态试验测试，将测试样件水平安装并与垂直伺服作动器或水平伺服作动器连接；所述动态试验测试，将测试样件水平安装并与垂直伺服作动和水平伺服作动器连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种风力机叶片多功能测试平台，适用于叶片局部区域缺陷演变研究，按照风力机叶片实际运行状态设计的功能，实验台的叶片局部结构试样加载方式设计成了水平及立式两种，不仅避免因测试件自身重力引起的形变影响测试结果，同时不同加载姿态也可以满足各种测试特性的需要，可以针对性地对叶片局部区域结构性能或缺陷的演变过程进行测试，确保了测试完善的同时，也方便了实验操作。所述测试平台作为连接“材料级”与“全尺寸级”实验台的中间层级实验平台，该实验平台即弥补了“材料级”测试中进行叶片结构性能表征的局限性，同时又减少了全尺寸叶片试验的工时、成本、损伤目标测试不准确及技术风险等，可实现在经济性最优条件下对指定的叶片区域结构性能进行试验。
本发明提供一种风力机叶片多功能测试平台的测试方法，用以对构件级叶片结构进行测试，实现叶片某一指定结构区域结构及缺陷影响的针对性测试，如产品结构、静力及多方向疲劳等综合力学性能测试，结合测试结果及数据模拟，以达到对运行中的风力机叶片损伤评估与寿命预测的目的。所述测试方法采用三维测试平台，对比常规单一方向作动加载的实验台，该测试平台通过水平和垂直方向的两个作动器设计，可实现叶片部件水平及垂直两个方向的同时加载，完成双轴向同时作动的动态测试，测试方式及结果更接近风力机叶片运行中的受力状态。通过双作动器实现构件级叶片的双轴加载，即避免了常规激振器单元中的电机超重造成的构件级叶片结构损伤，也可通过更换不同载荷作动器，实现操作控制和试验精度的双调节。通过不同的作动加载，模拟叶片的运行中的受力状态，实现构件级叶片挥舞及摆正方向同时加载的双轴性能测试研究。
附图说明
图1为本发明的测试平台结构图；
图2为本发明的结构测试图；
图3为本发明的静态及动态测试图；
其中：1-主机单元；101-加载框架；102-垂直伺服作动器；103-水平伺服作动器；104-铁地板平台；105-三脚支架；106-立柱调节装置；107-夹持工装；108-夹持基座；2-液压单元；201-液压子站；202-液压管路；3-控制器；4-计算机软件单元；5-测试样件。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：如图1所示，本发明提供一种风力机叶片多功能测试平台，所述测试平台包括主机单元1、液压单元2、控制器3、计算机软件单元4、测试样件5及伺服作动器。
所述主机单元1由加载框架101、垂直伺服作动器102、水平伺服作动器103、铁地板平台104、三脚支架105、立柱调节装置106、夹持工装107、夹持基座108构成。
进一步的，所述加载框架101由一定厚度的钢材拼接组合焊接而成，焊接完成后需进行退火处理，消除内应力，防止变形，保证整体框架具有足够刚度。
作为可选方案所述加载框架101优先选用3000KN加载框架。所述加载框架101包括两个安装在所述铁地板平台104上的立柱以及立柱顶部设置的横梁；所述垂直伺服作动器102设置在所述横梁的中间部位；所述水平伺服作动器与所述立柱垂直设置。
进一步的，可以根据测试样件的尺寸，通过立柱调节装置106调节加载框架101上横梁的高度。
所述伺服作动器为测试平台提供作用力，是让试验样件产生位移的装置，可以实现直线作动。
进一步的，所述伺服作动器根据测试试验的不同，包括了垂直伺服作动器102、水平伺服作动器103。所述伺服作动器包括了力传感器、位移传感器及伺服阀等结构。所述伺服阀用以控制伺服作动器，力传感器、位移传感器将测试作用信号传送给控制器3。所述控制器3与液压单元2电连接；所述控制器3与计算机软件单元4电连接；所述控制器3与伺服作动器通过有线信道连接。
作为可选方案，单一方向结构测试、静态及动态测试试验时，垂直伺服作动器102或水平伺服作动器103进行单一作动加载；双轴向静态及动态测试试验时，垂直伺服作动器102及水平伺服作动器103同时作动加载。
所述三脚支架107垂直固定在铁地板平台104上；所述夹持工装107与所述伺服作动器通过高强螺栓连接；如图2、3所示，所述测试样件5立式安装时测试样件5下端固定到夹持基座108上，所述测试样件5上端通过夹持工装107与伺服动作器连接；所述测试样件5水平安装时所述测试样件5与铁地板平台104平行，所述测试样件5的叶根端通过夹持工装107与三脚支架105连接，所述测试样件5的叶尖端通过夹持工装107与伺服作动器连接。
所述测试平台通过垂直方向的两个作动器设计，可实现叶片部件水平及垂直两个方向同时加载，完成双轴向同时作动的动态测试，测试方式及结果更接近风力机叶片运行中的受力状态。
进一步的，本发明通过双作动器实现构件级叶片的双轴加载，即避免了常规激振器单元中的电机超重造成的构件级叶片结构损伤，也可通过更换不同载荷作动器，实现操作控制和试验精度的双调节。
作为可选方案，静态测试试验中的垂直伺服作动器102优选3000KN液压伺服作动器，水平伺服作动器103优选1000KN液压伺服作动器。
作为可选方案，动态测试实验中的垂直伺服作动器102和水平伺服作动器103优选1000KN液压伺服作动器。
所述铁地板平台104由若干铁地板块组合而成，铁地板间用高强螺栓连接成为整体。所述铁地板平台104的每块铁地板上分布着若干个地脚螺栓安装孔，每个地脚螺栓孔处安装有地锚器；所述地锚器使多块平台能调整成一个平面度，方便，不易变动；通过地锚器的螺套对平台的高度和水平状态进行调节。
进一步的，使得作用于铁地板平台104上的各方向载荷，均通过地锚器传到钢筋混凝土基础上，以保证测试平台的稳定。
所述液压单元2是测试平台的试验动力来源，内部由高压泵、电机、油箱、油源冷却装置及液压附件等构成。
进一步的，根据测试试验不同，在每个作动器旁均设置1个液压子站201，测试时作动器可就近选择液压子站201。
所述液压子站201通过地锚器的螺栓与铁地板平台104相连接。
所述液压子站201是连接作动器和油源之间的控制开关，各液压子站201间通过液压管路202连接；所述液压单元2与所述伺服作动器之间设置有油路管道。
所述控制器3与伺服作动器通过有线信道连接，控制器3将电控系统的电信号与主机单元1中力传感器和位移传感器输出的反馈信号进行对比，对比值信号被放大后通过有线信道传送给伺服阀，将电控系统的电信号转变为油液流量，液压单元2通过液压子站201将高压油交变地输入到伺服作动器的作动腔，驱动伺服作动器高速往复运动，实现叶片试样测试。
所述计算机软件单元4由计算机、测试软件及打印机等组成，具有实验控制、数据处理机存储、图像绘制及测试结果输出等功能。
所述计算机软件单元4可以对测试试验进行控制，并对试验数据进行采集和处理。
所述测试样件5通过夹持工装107分别与垂直伺服作动器102、水平伺服作动器103及三脚支架105相连接。
作为可选方案，所述测试样件5可以是风电叶片的任意结构区域，如：腹板粘接区域、主梁区域、后缘梁区域、根部区域等。
作为可选方案，在进行缺陷对叶片寿命影响的构件级叶片实验时，同组对比的测试样件5分为无损伤样件、损伤样件及损伤后修复样件三类。所述测试平台的供电由电源柜提供，包含了380V三相交流和220V单相交流电。
本发明所述的一种风力机叶片多功能测试平台按照风力机叶片实际运行状态设计，实验台的叶片局部结构试样加载方式设计成了水平及立式两种，不仅避免因测试件自身重力引起的形变影响测试结果，同时不同加载姿态也可以满足各种测试特性的需要。所述测试平台通过垂直方向的两个作动器设计，可实现叶片部件两个方向的同时加载，完成双轴向同时作动的动态测试，测试方式及结果更接近风力机叶片运行中的受力状态；通过双作动器实现构件级叶片的双轴加载，即避免了常规激振器单元中的电机超重造成的构件级叶片结构损伤，也可通过更换不同载荷作动器，实现操作控制和试验精度的双调节。
本发明提供了一种风力机叶片多功能测试平台的测试方法，包括结构测试、静态试验测试及动态试验测试。
结构测试包括以下步骤：
S1：如图2所示，将测试样件5垂直于铁地板平台104放置。工作人员将测试样件5下端固定到夹持基座108上，测试样件5上方通过夹持工装107与垂直作动器102连接；
S2：在计算机软件单元4中输入测试区域构件级叶片加载点数量、位置及载荷，并启动控制器3；
S3：控制器3将电信号转变为油液流量，液压子站201将高压油交变地输入到伺服作动器的作动腔，驱动垂直伺服作动器102进行上下往复运动，实现构件级叶片结构的拉伸及压缩变形测试；
S4：主机单元1中的伺服作动器中的力传感器和位移传感器可将实验中的应变力信号传送给控制器3，控制器3收到信号后传送到计算机软件单元4中的测试软件，对测试数据进行记录及分析，判定构件级叶片测试中的变形和载荷情况。
静态试验测试包括以下步骤：
静力试验测试时，将对摆阵和挥舞方向分别进行加载测试。
S1：如图3所示，将测试样件5水平于铁地板平台104放置。工作人员将测试样件5靠近叶根端用夹持工装107固定在三脚支架105上，靠近叶尖端通过夹持工装107与垂直伺服作动器102或水平伺服作动器103连接；
S2：在计算机软件单元4中输入测试区域构件级叶片加载点数量、位置及载荷，启动控制器3；
S3：控制器3将电信号转变为油液流量，液压子站201将高压油交变地输入到伺服作动器的作动腔，驱动垂直伺服作动器102或水平伺服作动器103进行挥舞或摆阵方向的往复运动，实现构件级叶片挥舞或摆阵方向的静力测试；
S4：主机单元1中的伺服作动器中的力传感器和位移传感器可将实验中的应变力信号传送给控制器3，控制器3收到信号后传送到计算机软件单元4中的测试软件，对测试数据进行记录及分析，结合相关模型分析软件，判定构件级叶片测试中的受载情况及缺陷危害。
动态试验测试包括以下步骤：
动态试验测试时，将通过互相垂直的两个作动器作用，控制作动器加载载荷，在挥舞及摆阵两个方向同时加载，模拟叶片运行中的实际状态，实现双轴向运动的动态疲劳试验测试。
S1：如图3所示，将测试样件5水平于铁地板平台104放置。工作人员将测试样件5靠近叶根端用夹持工装107固定在三脚支架105上，靠近叶尖端通过夹持工装107与垂直伺服作动器102和水平伺服作动器103连接；
S2：在计算机软件单元4中输入测试区域构件级叶片加载点数量、位置及载荷，启动控制器3；
S3：控制器3将电信号转变为油液流量，液压子站201将高压油交变地输入到伺服作动器的作动腔，驱动垂直伺服作动器102及水平伺服作动器103同时运动，实现构件级叶片挥舞及摆阵方向的动态疲劳测试；
S4：主机单元1中的伺服作动器中的力传感器和位移传感器可将实验中的应变力信号传送给控制器3，控制器3收到信号后传送到计算机软件单元4中的测试软件，对测试数据进行记录及分析，结合相关模型分析软件，判定构件级叶片测试中的受载情况及缺陷变化。
本发明采用一种风力机叶片多功能测试平台的测试方法，对叶片某一段结构件进行产品结构、静力及多方向疲劳等综合力学性能测试，通过不同的作动加载，可模拟叶片的运行中的受力状态，实现构件级叶片挥舞及摆正方向同时加载的双轴性能测试研究。所述测试方法可以针对性地对叶片局部区域结构性能或缺陷的影响进行测试确保了测试完善，方便了实验操作。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力机叶片多功能测试平台，其特征在于，包括铁地板平台(104)、加载框架(101)、三脚支架(105)、夹持工装(107)、夹持基座(108)及伺服作动器；
所述加载框架(101)设置在铁地板平台(104)上；所述夹持基座(108)设置在位于所述加载框架(101)下方的铁地板平台(104)上；所述伺服作动器设置在所述加载框架(101)上；所述三脚支架(105)垂直设置在铁地板平台(104)上；
测试样件(5)立式安装时，所述测试样件(5)的下端与夹持基座(108)连接，所述测试样件(5)的上端通过所述夹持工装(107)与伺服动作器连接；
测试样件(5)水平安装时，所述测试样件(5)的一端通过所述夹持工装(107)与所述三脚支架(105)连接，所述测试样件(5)的另一端通过所述夹持工装(107)与所述伺服作动器连接。
2.根据权利要求1所述的一种风力机叶片多功能测试平台，其特征在于，所述加载框架(101)为龙门结构，所述龙门结构包括横梁和两个立柱；两个所述立柱设置在铁地板平台(104)上，所述横梁设置在所述立柱的顶部。
3.根据权利要求2所述的一种风力机叶片多功能测试平台，其特征在于，所述伺服作动器包括垂直伺服作动器(102)、水平伺服作动器(103)；所述垂直伺服作动器(102)设置在所述加载框架(101)的横梁的中间部位；所述水平伺服作动器与所述加载框架(101)的立柱垂直设置。
4.根据权利要求1所述的一种风力机叶片多功能测试平台，其特征在于，所述多功能测试平台还包括立柱调节装置(106)，所述立柱调节装置(106)相互叠放；所述立柱调节装置(106)设置在所述横梁两端的底部与两个立柱顶部之间，用于调节加载框架(101)上所述横梁的高度。
5.根据权利要求1所述的一种风力机叶片多功能测试平台，其特征在于，所述铁地板平台(104)由若干个均一的铁地板构成；若干个所述铁地板依次铺设，相邻铁地板之间通过螺栓连接。
6.根据权利要求5所述的一种风力机叶片多功能测试平台，其特征在于，所述铁地板上设置有若干个地脚螺栓孔；所述地脚螺栓孔上安装有地锚器。
7.根据权利要求1所述的一种风力机叶片多功能测试平台，其特征在于，所述多功能测试平台还包括液压单元(2)、控制器(3)及计算机软件单元(4)；所述控制器(3)与液压单元(2)电连接；所述控制器(3)与计算机软件单元(4)电连接；所述控制器(3)与伺服作动器通过有线信道连接。
8.根据权利要求7所述的一种风力机叶片多功能测试平台，其特征在于，所述铁地板平台(104)上设置有液压子站(201)；所述液压单元(2)与液压子站(201)通过液压管路(202)连接；所述液压单元(2)与所述伺服作动器之间油路连接。
9.采用权利要求7或8所述的一种风力机叶片多功能测试平台的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将测试样件(5)与伺服作动器固定连接；
S2：在计算机软件单元(4)中输入测试区域构件级叶片加载点数量、位置及载荷，并启动控制器(3)；
S3：所述控制器(3)驱动伺服作动器进行测试；
S4：所述伺服作动器中的传感器将应变力信号传送给所述控制器(3)，所述控制器(3)将收到信号传送到计算机软件单元(4)中的测试软件，所述计算机软件单元(4)对测试数据进行记录及分析。
10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，所述测试包括结构测试、静态实验测试及动态试验测试；所述结构测试，将测试样件(5)立式安装并与垂直作动器(102)连接；所述静态试验测试，将测试样件(5)水平安装并与垂直伺服作动器(102)或水平伺服作动器(103)连接；所述动态试验测试，将测试样件(5)水平安装并与垂直伺服作动器(102)和水平伺服作动器(103)连接。
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