CN115371924B - 一种基于机械联动“跷跷板”结构的风电叶片疲劳激振方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机械联动“跷跷板”结构的风电叶片疲劳激振方法及装置，包括基座、风电叶片、翻转机构、连杆、激振器、变频器、上位机。工作时，激振器减速机在电机驱动下工作，减速器输出轴即主轴使摆臂Ⅰ、Ⅱ做回转运动，产生激振力，通过机械联动电机与两激振器摆臂，使其相位差更可靠的保持180度，并通过安装于轴承中编码器检测到摆臂运动位置传到上位机中，实时监测两激振器相位差是否保持为180度，从而控制摆臂Ⅰ、Ⅱ上下交替回转运作，使得翻转机构带动连杆稳定上下运动，使激振力变大和弯矩分布精度高，提高疲劳寿命测试检测效率。整体激振装置与叶片分离，通过连杆相连，有效避免了因激振器自重而导致的共振衰减，提高了测试精度。
Description
本发明属于风电叶片测试技术领域，涉及一种基于机械联动“跷跷板”结构的风电叶片疲劳激振方法及装置。
背景技术
风电叶片作为风力发电机接受风能的主要部件，其设计寿命直接影响到风力发电机的成本及效率，由于长期受到交变载荷影响，疲劳破坏是叶片主要失效形式，进行疲劳试验验证叶片性能和寿命是最有效的方式。目前，现有的疲劳测试方式主要为在风电叶片的挥舞方向采用垂直加载。
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急需解决的技术瓶颈。目前激振器普遍采用放置于叶片上，但在遇到大型风电叶片疲劳测试时突显出激振力不足的问题。由于叶片疲劳试验通常要求叶片的弯矩满足测试标准，为了使风电叶片的振动弯矩达到目标值，往往需要采取加大激振器的功率，增加质量块，加强夹具强度等措施。这些措施造成了激振器自身重量过重，使得激振器所在截面的附加质量过大，会造成局部弯矩与目标值偏差过大。同时由于激振器对叶片来说为附加重量，会使得整个测试系统共振频率下降，同时激振力也就大打折扣，为达到相同目标循环数的周期也会相应延长，大大增加测试成本。
综上所述，提高激振器能力，减少叶片承受来自于激振器和配重的重力矩，提高加载效能为现有测试需解决的难题，同时尽量减少系统的复杂程度，使激振控制更加简洁可靠。
发明内容
针对风电叶片疲劳加载试验现有测试技术的不足，本发明提出了一种基于机械联动“跷跷板”结构的风电叶片疲劳激振方法及装置，能够有效减少激振器与配重对叶片产生的重力距，高效发挥出激振器的加载效能，通过机械联动同时减少电气控制方面的复杂度，更容易并且准确的控制激振频率，从而较好衡量叶片疲劳性能，缩短测试周期。
其技术方案为：机械联动式风电叶片疲劳加载装置主要包括主控制器，编码器，变频器，激振设备，其中激振器采用摆锤式结构，电动机放置于装置中间位置通过一根主轴使得激振器两摆臂机械联动，主控制器与编码器、变频器等采用MODBUS通讯协议，并通过RS485通讯电缆连接。
对图1结构的组成部分进行描述，加载装置的作用是通过与叶片相连接，通过激振器提供动力，并完成一定的疲劳试验，主要由钢结构工装和激振模块组成。
钢结构工装主要由基座、连杆、主轴、翻转机构、电机底座，轴承支撑座组成。
待疲劳测试的风电叶片安装于试验平台上，且风电叶片的弦线平行于地面，疲劳加载装置上端装有转轴用于基座与翻转机构连接，可将激振器产生的扭矩转换为叶片的拉拉疲劳，高硬度合金转轴两侧都装有限位挡板，保证疲劳加载装置的安全性
激振器包含电机，减速器，电机底座、摆臂、偏心质量块，其中所述激振器还包含编码器安装座、编码器，其中通过所述激振器中编码器检测到输出轴摆臂的运动位置传到控制软件中检测两激振器输出轴摆臂相位差是否恒180度，从而监测设备的整体稳定性。
电机底座与翻转机构相连，且激振器可根据要求调整所需配重，从而调整所产生的弯矩，实现对不同级别的叶片负载进行疲劳加载。
风电叶片通过法兰以及螺纹安装连接于加载装置的连杆，整体翻转机构长10米，上下最大行程角度60度，上下最大行程距离5米，此结构可满足百米级风电叶片的疲劳测试。
整个加载装置可以提供0-1000KN的加载力，其设计结构满足安全性、适用性、耐久性的要求。
一种基于机械联动“跷跷板”结构的风电叶片疲劳激振装置，其加载方法如下：
（1）将待疲劳试验的风电叶片安装于试验平台上，且叶片弦线平行于地面，计算叶片所需配重，获得激振器所需产生的扭矩；
（2）使用高强度螺栓及玻璃纤维，将测试叶片通过连杆安装到测试装置上，测试叶片位于加载装置正上方；
（3）检查所有安装工作全部完成后，启动主控制器控制电机运转，并设置激振装置的工作参数；
（4）通过变频器设定频率使得电机以初始速度工作，检查两激振器的机械联动
运行是否平稳，检查无误后控制变频器频率使得电机转速逐渐增大，安装在激振器上的编
码器采集安装在激振装置输出轴的偏心质量块的相位，使得加载设备稳定运作；
（4）加载装置与叶片持续共振，叶片所受交变循环不断增大，最终达到屈服极限直至破裂结束。
基于所设计的加载方式及装置，获得测试叶片疲劳承载能力及破坏情况，分析结果可作为叶片性能的评价指标，并为后续的叶片材料疲劳强度增强设计提供理论依据。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：
（1）加载子装置直接采用机械联动，避免了部分复杂的软件开发与控制，并且机械联动使得两激振器相位差保持稳定，加载装置整体与叶片本体分离，消除了激振设备对叶片的附加重量，使整个测试系统的共振频率趋于理想状态，较好的补偿了测试结果，使得测试周期缩短，测试结果可靠，整体效益增加；
（2）传统疲劳测试装置只对叶片有着单向拉力，另一侧的弯曲应力大都依靠叶片自身的回弹，会使激振装置与叶片很难同频共振，此装置不仅可以提供叶片向下拉力，同时可提供向上的支撑力，加载装置可与叶片同频共振；
（3）可准确地获得叶片的达到疲劳破坏的屈服极限，有利于改善叶片性能。
附图说明
图1是本发明一种基于机械联动“跷跷板”结构的风电叶片疲劳激振方法及装置的总体结构示意图；
图2是本发明激振器动力部分的详细结构示意图；
图3为图1所示实施的加载方法流程图。
附图编号：
1-叶片；2-连杆；3-主轴；4-电机安装板；5-摆臂Ⅰ；6-翻转机构；7-偏心质量块；8-底座；9-电机底座；10-轴承支撑座及编码器；11-摆臂Ⅱ；12-电机；13-减速器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施措施对本发明做进一步描述。
一种用于风电叶片疲劳加载的加载方法及装置的具体实施方式如图3所示，对于所研发的风电叶片，使用本发明的加载方法及装置可以较准确的获得叶片在达到屈服极限的时候交变力与所经历时间，同时也可作为叶片结构优化的依据。
叶片疲劳加载的具体实施步骤如下：
(1)根据某单位提供的风电叶片测试样件，将叶片与连杆连接，测量出加载装置所需要的空间；
(2)通过MODBUS通讯，并采用RS485通讯电缆连接，疲劳加载装置采用上位机监控界面控制运动控制器及变频器，主控制器包括模拟量采集单元、信号处理单元、信号输出单元，其功能为：模拟量采集单元用于存储编码器采集的相位信息，信号处理单元用于处理编码器采集的相位信息和生成变频器频率变化指令，信号输出单元用于输出控制器生成的变频器频率指令到变频器，控制电机转速；
(3)将测试叶片与疲劳加载装置相连，待试验叶片安装于试验平台，弦线平行于地面，并且叶片处于加载设备上方；
(4)启动控制器，设置激振装置工作参数，控制电机转速进而控制激振器频率，使得叶片由静止开始挥舞，最终与加载装置形成共振，采集叶片上装载的压力传感器、位移传感器所记录的数据，并通过采集编码器数据来监测两摆臂的相位差；
(5)随着叶片所受交变应力循环逐渐增加，直至达到屈服极限后，叶片破裂直至结束，获得叶片达到最大屈服极限时的承载能力。
基于所设计的加载方法及装置，进行叶片疲劳加载试验来衡量叶片疲劳极限，分析结果可作为叶片性能的评价指标，并为后续叶片的加强设计提供理论依据，提高叶片使用寿命，降低叶片因疲劳破坏引发风电叶片的灾难性坍塌的发生的概率。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于机械联动“跷跷板”结构的风电叶片疲劳激振装置，其装置包括基座、风电叶片、翻转机构、连杆、激振器、主轴、变频器，其特征在于：
所述翻转机构有法兰安装孔；
所述激振器包含电机、减速器、电机底座、摆臂、偏心质量块、编码器、轴承支撑座；
所述连杆有通孔通过轴承连接翻转机构；
所述电机有安装孔和键槽，所述减速器有安装孔和螺纹孔，所述摆臂有通孔，所述偏心质量块有通孔，所述编码器有固定孔，所述轴承支撑座有固定孔；
所述疲劳激振装置通过连杆与叶片相连，整体放置于叶片下方与叶片分离；
所述电机通过电机底座连接于翻转机构中间位置，电机通过主轴连接两激振器摆臂，两激振器摆臂通过机械联动保持相位差180度，所述电机底座通过螺纹紧固在所述翻转机构上，所述减速器通过螺纹孔紧固在所述电机底座中，其特征在于所述减速器输入轴与上述电机输出轴同心，并通过键槽连接；
所述激振器两摆臂通过机械结构相互连接，激振器两摆臂的相位差恒保持180度，进而激振器两摆臂运动轨迹相差180度，可使翻转机构做恒定的往复运动从而形成跷跷板结构。
2.根据权利要求1所述的基于机械联动“跷跷板”结构的风电叶片疲劳激振装置，其特征在于，所述基座不同于传统直接连接在叶片自身之上，其基座连接翻转机构，接而通过轴承安装孔连接连杆进而连接叶片。
3.根据权利要求1所述的基于机械联动“跷跷板”结构的风电叶片疲劳激振装置，其特征在于，所述摆臂通过键槽与减速机输出轴即主轴配合，并所述摆臂与所述减速机通过螺纹孔紧紧牢固在所述减速机输出轴上，所述摆臂通通孔与所述偏心质量块连接，同时偏心质量块可根据载荷大小进行调整。
4.根据权利要求1所述的基于机械联动“跷跷板”结构的风电叶片疲劳激振装置，其特征在于，所述编码器通过螺纹孔安装在所述轴承支撑座上，实现编码器对摆臂位置记录功能。
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