CN115508032A - 风机叶片双自由度疲劳加载激振装置、系统及控制方法 - Google Patents

风机叶片双自由度疲劳加载激振装置、系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风机叶片双自由度疲劳加载激振装置、系统及控制方法，涉及疲劳检测技术领域，包括：支撑主体、摆振组件和挥舞组件；所述摆振组件和所述挥舞组件均安装于所述支撑主体上；所述支撑主体包括第一面板、第二面板、第三面板、横向梁、竖向柱；所述摆振组件包括摆振导轨、摆振连杆、摆振伺服电机、摆振圆盘、摆振同步带；所述挥舞组件包括挥舞圆盘、挥舞连杆、挥舞导轨、挥舞伺服电机、挥舞同步带；本发明的控制系统实现了风机叶片平稳加载，鉴相法频率跟踪控制方法可靠有效，共振加载时叶片振幅稳，满足了风机叶片疲劳加载试验的实际需求。

Description

风机叶片双自由度疲劳加载激振装置、系统及控制方法
技术领域
本发明涉及疲劳检测技术领域，更具体的说是涉及一种风机叶片双自由度疲劳加载激振装置、系统及控制方法。
背景技术
叶片作为风力发电机组的关键部件，对它进行疲劳性能测试是投入使用的必需环节。随着风机叶片尺寸趋于大型化，双自由度加载方式与实际的风力载荷发生方式更加接近，所测值更能用于表达叶片的真实特性，能够缩短疲劳试验的时间，因此双自由度的疲劳加载成为风机叶片检测技术的发展方向。双自由度叶片共振疲劳试验处于动载荷状态中，叶片两个自由度方向具有不同频率，并且叶片的挥舞和摆振运动之间的干扰内在地引起惯性耦合，因此难以精确地预测叶片的行为特性及有效地执行试验设置，由此增加了系统实际振动控制的难度。目前，风机叶片疲劳试验系统主要基于电动缸惯性加载器或液压加载器。电动缸加载器在受到电机转速和丝杠导程影响，惯性激振频率范围比较小，而液压加载器控制设备成本高且受制于电机-泵-阀-管道-液压缸的疲劳寿命。事实上挥舞方向和摆振方向的共振频率通常没有一个确定的比率，这意味着在试验中，应变计一开始就不能直观地反映数据。共振疲劳测试过程中需要自动识别叶片固有频率的变化，及时调整激振频率，维持叶片振幅，而现有趋势二分法等试探法进行共振频率搜索跟踪需要多次重复频率调节，这会造成加载设备的额外损耗，扫描时间较长，增加试验周期，影响叶片疲劳试验的效果；在近共振区间，叶片疲劳加载系统对频率的改变非常敏感，频率的微小改变就会引起振幅的明显衰减。因此，对于风机叶片双自由度疲劳试验，研发一种可靠有效的加载装置、系统及控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种风机叶片双自由度疲劳加载激振装置、系统及控制方法，克服了上述问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种风机叶片双自由度疲劳加载激振装置，包括：支撑主体、摆振组件和挥舞组件；所述摆振组件和所述挥舞组件均安装于所述支撑主体上；所述支撑主体包括第一面板、第二面板、第三面板、横向梁、竖向柱；所述第一面板通过竖向柱分别与所述第二面板、所述第三面板连接，所述第二面板与所述第三面板通过横向梁连接；所述摆振组件设于所述第一面板上，所述摆振组件包括摆振导轨、摆振连杆、摆振伺服电机、摆振圆盘、摆振同步带；所述摆振导轨设有摆振动质量块；所述摆振导轨通过所述摆振连杆与所述摆振动质量块连接；所述摆振同步带连接所述摆振伺服电机所述摆振圆盘的同步齿轮；所述第二面板和所述第三面板上均设有所述挥舞组件；所述挥舞组件包括挥舞圆盘、挥舞连杆、挥舞导轨、挥舞伺服电机、挥舞同步带；所述挥舞导轨上设有所述挥舞动质量块；所述挥舞圆盘通过挥舞连杆与所述挥舞动质量块连接；所述第二面板上的挥舞圆盘与第三面板上的挥舞圆盘通过圆盘连杆连接，所述圆盘连杆与所述挥舞伺服电机的同步齿轮通过所述挥舞同步带连接。
可选的，所述摆振导轨和所述挥舞导轨竖直截面均呈现倒置梯状。
可选的，激振装置还包括台架，所述台架固定在所述第二面板和所述第三面板上；所述台架中间设有贯穿的圆孔，用于通过所述圆盘连杆；所述圆盘连杆分别连接所述第二面板上的挥舞圆盘与所述第三面板上的挥舞圆盘。
可选的，激振装置产生的激振力的计算公式为：
Figure BDA0003870530660000031
式中，m为动质量块质量；t为时间；R为曲柄长度；L为连杆长；ω为电机角速度。
一种风机叶片双自由度疲劳加载系统，包括：加载支座、上位机、控制柜、激振装置、动态应变采集仪、视觉检测系统；
所述加载支座，用于固定风机叶片；
所述上位机，用于各个设备的通信数据的采集以及控制指令的生成；
所述控制柜，用于控制激振装置的运动参数以及获取动态应变采集仪和视觉检测系统的数据；
所述激振装置，用于驱动风机叶片在挥舞方向和摆振方向振动；
所述动态应变采集仪，用于实时监控风机叶片的应变情况；
所述视觉检测系统，用于实时检测叶片的振动位移数据。
可选的，所述控制柜包括线性自抗扰控制器，所述线性自抗扰控制器由线性扩张状态观测器、线性PD控制器、误差补偿控制律组成。
一种风机叶片双自由度疲劳加载控制方法，具体步骤为：
基于风机叶片双自由度疲劳加载系统建立系统振动动力学模型；
基于相位差共振频率跟踪法，利用系统振动动力学模型的特性获取激振频率的调节方向；
基于激振频率的调节方向对应调节激振频率，实现风机叶片双自由度疲劳加载系统的共振加载。
可选的，系统振动动力学模型包括：
Figure BDA0003870530660000032
Figure BDA0003870530660000033
式中，A为风机叶片的振幅；m为动质量块质量；Y1为复运动位移；k为模型的刚度；r为频率比；ζ为阻尼比；
Figure BDA0003870530660000041
为相位差；β为振幅相对静变形的放大倍数。
可选的，相位差共振频率跟踪法具体为：
步骤21、获取风机叶片双自由度疲劳加载系统共振状态下的共振加载振幅A0和共振加载相位
Figure BDA0003870530660000042
步骤22、获取当前振幅A，判断当前振幅A的衰减是否超过预设值，若是，执行步骤23；若否，则返回步骤21；
步骤23、判断当前相位
Figure BDA0003870530660000043
是否大于共振加载相位
Figure BDA0003870530660000044
步骤24、根据判断结果以不同的步长进行激振频率调节。
可选的，激振频率调节过程中还包括对当前振幅A是否稳定进行判断。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种风机叶片双自由度疲劳加载激振装置、系统及控制方法，基于电驱动惯性式激振器，采用“虚拟轴+自抗扰控制器”结构、视觉技术检测位移，对叶片激振运动进行解耦控制，构建了风机叶片双自由度疲劳加载系统；基于移动均值的跟踪算法，对共振试验中叶片振动状态进行实时检测，考虑系统振动频率特性，提出了基于鉴相器检测相位差的共振频率跟踪方法，自适应控制叶片振动幅值。本发明的控制系统实现了风机叶片平稳加载，鉴相法频率跟踪控制方法可靠有效，共振加载时叶片振幅稳，满足了风机叶片疲劳加载试验的实际需求。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的风机叶片双自由度疲劳加载激振装置的结构示意图；
图2为本发明的风机叶片双自由度疲劳加载系统的结构示意图；
图3为本发明的风机叶片双自由度疲劳加载解耦控制策略示意图；
图4为本发明的振动系统频率特性曲线示意图；
图5为本发明的鉴相法频率跟踪控制系统结构示意图；
图6为本发明的激振频率调节方向的示意图；
图7为本发明的鉴相法共振频率跟踪过程示意图；
图8为本发明的叶片振幅控制试验效果示意图；
图9为本发明的叶片激振标识点布置及标识点的运动轨迹示意图；
其中，1为摆振导轨；2为摆振连杆；3为摆振伺服电机；4为摆振圆盘；5为第一面板；6为摆振同步齿轮；7为摆振同步带；8为挥舞圆盘；9为挥舞连杆；10为挥舞同步齿轮；11为挥舞动质量块；12为挥舞伺服电机；13为挥舞导轨；14为横向梁；15为竖向柱；16为台架；17为第二面板；18为第三面板；19为加载支座；20为风机叶片；21为夹具；22为运动控制器；23为驱动器；24为动态应变采集仪；25为视觉检测系统；26为上位机。
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。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。
实施例1
本发明实施例公开了一种风机叶片双自由度疲劳加载激振装置，激振装置整体图如图1，装置分为两部分，下面一部分是两侧对称的曲柄滑块结构，两侧的圆盘由金属杆连接，通过在金属杆上安装齿轮，然后通过齿轮带与伺服电机相连，由伺服电机带动金属盘转动，让动质量块实现上下往复运动，从而产生挥舞方向激振力。上面这部分是曲柄滑块结构水平安置，传动齿轮安装在圆盘和伺服电机上，同样通过电机带动圆盘转动，让动质量块实现水平方向往复运动，从而产生摆振方向激振力。激振装置由交流电机驱动，其速度可以通过伺服驱动器改变给定电压或脉冲频率来控制。通过改变摆振连杆连接到驱动轮的半径，可以粗略地调整激励的振幅。通过将不同数量的动质量块安装在滑块上，可以改变质量。
风机叶片疲劳加载激振装置，该实验装置可实现在单个加载点同时产生挥舞和摆振两个方向的激振力。装置由摆振导轨1、摆振连杆2、摆振伺服电机3、摆振同步齿轮6、摆振圆盘4、第一面板5上面板、摆振同步带7、挥舞圆盘8、挥舞伺服电机12、挥舞连杆9、挥舞同步齿轮10、挥舞动质量块11、挥舞导轨13、横向梁14、同步齿轮、竖向柱15、台架16、圆盘连杆、第三面板18(右侧面板)、第二面板17(左侧面板)组成。
其中摆振方向和挥舞方向上的零部件，形状一致，只是尺寸根据要求不同而有所区别。摆振导轨1和挥舞导轨13竖直截面都呈现倒置梯状，这样可以保证动质量块在导轨上滑动时不会发生脱离事故，三根导轨通过M4螺丝分别与上面板、右侧面板和左侧面板相固定。在挥舞动质量块11和摆振动质量块上分别有四个M4螺丝，用于增加动质量块，摆振连杆2和挥舞连杆9连接圆盘和动质量块，将圆盘上的圆周运动转化为动质量块的往复直线运动，左侧面板和右侧面板通过横向梁14连接，横向梁14共有4根，每个角都用M3螺丝与相对应面板固定，上面板通过四根竖向柱15分别与右侧面板和左侧面板固定，同样是四角通过M3螺丝固定，摆振伺服电机3的传动通过同步齿轮和同步带实现，挥舞方向相同，台架16整体呈长方体型，通过M4螺丝固定在侧面面板上，中间有完全贯穿的圆孔，可以穿过圆盘连杆。
动质量块运行距离公式：
Figure BDA0003870530660000071
其中α＝ωt＝2πnt，n为回转中心转速(电机转速)，得到动质量块的位移公式之后，对其求导，可得出动质量块速度公式：
Figure BDA0003870530660000072
在对其速度公式求导，得出动质量块加速度公式：
Figure BDA0003870530660000073
从动质量块的加速度公式，得出装置可产生的激振力为：
Figure BDA0003870530660000074
式中，S为动质量块位移；α为曲柄转动角度；R为曲柄长度；L为连杆长度；
Figure BDA0003870530660000075
本实施例还公开了一种风机叶片双自由度疲劳加载系统，如图2所示，主要由上位机26PC、控制柜、激振装置、动态应变采集仪24、视觉检测系统25等组成。风机叶片20根部固定在筒型加载支座19上，叶片的激振点通过叶片夹具21的安装惯性激振装置。上位机26PC对运动控制器22发出控制指令，运动控制器22控制伺服电机的运动参数，对两个自由度方向的激振器分别进行控制，激振器驱动叶片在挥舞方向和摆振方向振动。同时，上位机26借助以太网完成各个设备通信数据的采集，视觉检测系统25实时检测叶片的振动位移，动态应变采集仪24实时监控叶片的应变情况，系统根据振动状态自动调节激振器的激振参数，使叶片最终达到目标振幅并保持在共振状态运行。
其中，控制柜包括运动控制器22、驱动器23等。
叶片疲劳加载试验时，两个自由度方向采用独立的虚拟轴，引入线性自抗扰控制器，实现对各自方向的激振器进行控制，系统的控制策略如图3所示。
线性自抗扰控制器由线性扩张状态观测器(LESO)、线性PD控制器、误差补偿控制律组成。共振频率跟踪控制过程中，激振力信号由电机编码器采集驱动电机实时的位置信息，经驱动器23解算并反馈到运动控制器22，运动控制器22通过以太网通信方式将位移信号上传到上位机26。而叶片振动的位移则通过视觉传感器来检测，在叶片轨迹检测过程中，叶片上的特征标识始终包括在画幅之内，特征标识点靠近画幅的中心。
基于MeanShift的图形跟踪算法跟踪视频的ROI区域，并在ROI区域应用Hough算法，对符合条件的圆标识进行识别并分析圆心坐标，计算圆心位置。对视觉位移通过模态解耦分别得到挥舞和摆振方向的位移信号，在此基础上可计算出激振信号和响应信号相位差。
本实施例还公开了一种风机叶片双自由度疲劳加载控制方法，风机叶片疲劳试验系统采用伺服系统驱动动质量块做往复运动对叶片进行激振，以动质量块在导轨上的运动为输入、叶片位移为输出，建立系统振动动力学模型。模型的质量、阻尼和刚度分别为M,c和k；动质量块质量为m、复运动位移为Y1，叶片振动位移为y。在激振力F(t)的作用下，叶片在稳态振动时的振幅、相位差和无量纲形式：
Figure BDA0003870530660000081
Figure BDA0003870530660000082
其中，A为叶片振幅；ζ为阻尼比；r为频率比；
Figure BDA0003870530660000091
为相位差；β为振幅相对静变形的放大倍数。
从如图4所示的系统频率特性图可知，对于阻尼比的不同取值，相位差都随频率比单调变化，并且当系统的阻尼比较小时，动力放大倍数在r＝1附近出现尖峰，相位差在r＝1附近的斜率也较大。这说明，叶片固有频率的微小变化虽无法直接测量，但只要其引起的振幅变化是明显可观察的，则相位差的变化也必是明显的，因此可以通过相位差的变化确定激振频率的调节方法。
鉴相法频率跟踪控制系统如图5所示，以检测相位差为输入、激振频率为输出，建立对叶片振幅的闭环控制。由于疲劳加载周期很长，随着环境条件及叶片的物理特性发生变化，系统不能维持在共振状态，影响叶片疲劳测试精度。叶片固有频率的微小变化虽无法直接测量，但激振信号与响应信号的相位差对叶片固有频率的变化有较好的鉴别能力。在共振点附近，相位差随频率比单调变化的性质，相位差本身的大小对实际应用的影响较小。因此，提出基于相位差共振频率跟踪方法，鉴相器检测激振力和位移响应的相位差，根据相位差变化和叶片固有频率变化之间的关系，调节激振频率实现系统共振加载，从而控制振幅。
激振频率的调节方向如图6所示。试验开始时，通过共振频率搜索方法，找出共振点，记录此时相位差
Figure BDA0003870530660000092
试验过程中，检测到叶片振幅的衰减超出允许值后，若相位差减小为
Figure BDA0003870530660000093
则说明频率比r减小了；由于激振频率没有改变，则表示固有频率增大了，此时应增大激振频率以恢复叶片振幅，反之亦然。
共振频率跟踪过程如图7所示，在调整好共振状态后，记录此时的振幅A0和相位差
Figure BDA0003870530660000094
当加载过程中振幅衰减超过允许范围时，进行相位判断，根据相位差变化的大小以不同的步长进行激振频率调节，调节过程中需要振幅稳定的判断。考虑到叶片性能变化后共振相位可能会有微小改变，进入到新的共振状态后将共振相位差
Figure BDA0003870530660000101
更新为当前的计算结果，此后以新值作为比较标准。激振频率调节判断程序主要分为振幅和相位差去抖动、保存共振状态、计算振幅衰减系数、触发调节判断、减小激振频率判断、增大激振频率判断和停止调节判断等功能。
具体为：
(1)振幅和相位差的去抖动：系统运行中，激光传感器测量不稳定会引起的叶片位移数据跳变，造成振幅和相位差计算结果中出现明显的异常值，该异常值会影响后续程序对运行状态的判断。这一情况是间歇性出现的，为排除其影响，设计去抖动功能，即将连续的6个测量数据进行排序，分别去掉最大和最小的2个值，仅以中间2个值的平均数作为位移或相位差的当前值。
(2)保存共振状态：当加载开始阶段将系统调整到最佳共振状态时，保存共振振幅和共振相位，并将“开始调节”和“频率调节”两个数据标签flag置0，表示不启动频率调节；
(3)计算振幅下降系数：根据叶片的实时振幅和保存的共振振幅，按照以下公式计算振幅衰减系数；
Figure BDA0003870530660000102
(4)开始调节：当振幅衰减系数Y％大于容许的阈值(如可将阈值设置为5％)时，将“开始调节”数据标签置1，启动激振频率调节功能；
(5)减小激振频率：当“开始调节”数据标签为1且当前激振信号和响应信号的相位差比共振状态下更大时，将“频率调节flag”数据标签设置为1，开始减小激振频率；
(6)增大激振频率：当“开始调节”数据标签为1且当前激振信号和响应信号的相位差比共振状态下更小时，将“频率调节flag”数据标签设置为2，开始增大激振频率；
(7)停止调节：当“开始调节”数据标签为1而振幅和相位差已经恢复时，说明此时仍处于频率调节中，但调节过程已经完成，将“频率调节flag”数据标签设置为0，并将“开始调节”数据标签置0，结束频率调节过程，进入稳定加载；
进行激振频率调节时，根据当前相位差相比共振相位差的变化幅度，以不同的步长进行调节。激振频率的调节是通过改变质量块往复运动一个周期的时间长短T来实现的，如表1所示。
表1相位差变化幅度和加载周期改变步长的对应关系
Figure BDA0003870530660000111
实施例2
疲劳加载控制试验实施步骤为：
(1)启动摄像机标定程序获取相机的内外参数以及畸变参数，通过激光传感器和摄像机同步进行叶片振幅和振动频率的测试，对比获取的两组叶片振动数据，对相机获取的数据进行误差分析；
(2)在上位机26设置叶片加载测试参数，PC主机对运动控制器22发出指令，运动控制器22接受上位机26参数设置，然后利用控制算法，驱动器23驱动电机运动，使激振器产生同步加载激振力；
(3)根据激振力和位移响应相位差，判断激振频率的调节方向，搜索系统共振频率，得到叶片最大振幅。当叶片振幅发生变化较大时，控制器通过调整激振器的激振参数，对驱动器23输出信号进行控制，使叶片达到试验目标振幅并保持运行在共振状态。
(4)在疲劳加载系统稳定运行期间，动态应变采集仪24和视觉检测系统25分别采集的叶片应变、振动位移反馈给控制系统；通过叶片应变和位移变化情况，判断系统频率是否发生变化，控制器将系统的状态发送给上位机26显示并记录。
疲劳加载控制试验案例：
双自由度疲劳加载试验的对象为截断后展长为48m的风机叶片20，激振器安装在距叶片根部25米位置，视觉检测系统25安装在距离叶根30m处的地面上，系统参数配置信息如表2所示。试验时，通过鉴相调节找到系统的共振状态，然后在共振状态下进行激振，叶片逐渐达到最大稳定振幅；当叶片加载系统振幅明显改变，开始进行共振频率跟踪，叶片振幅和相位差随时间改变的曲线如图7所示。
表2试验系统参数配置
Figure BDA0003870530660000121
图8中跟踪控制目标的振幅和相位分别被设置为0.479m和74.47°，在450s后达到最大振幅并保持稳定，此时相位差在60°左右，叶片振幅小于振幅下限。在700s时，开始共振频率跟踪，激振频率始终向着正确的方向调节，在此后100s时间内，经过几次调节激振频率，叶片振幅快速恢复到振幅下限以上，相位差也恢复到设定的共振相位附近。另外，相位差的改变幅度远大于振幅的改变幅度，通过相位差可以进行更精准的振幅控制，鉴相法跟踪控制能够获得较好的叶片振动实际效果。
基于控制系统策略和叶片振动状态的检测方案，设定试验目标参数，得到疲劳共振加载稳定时振动叶片运动轨迹如图9所示。
基于电驱动惯性式激振器，采用“虚拟轴+自抗扰控制器”结构、视觉技术检测位移，对叶片激振运动进行解耦控制，构建了风机叶片双自由度疲劳加载系统。基于移动均值的跟踪算法，对共振试验中叶片振动状态进行实时检测。考虑系统振动频率特性，提出了基于鉴相器检测相位差的共振频率跟踪方法，自适应控制叶片振动幅值。试验表明，控制系统实现了风机叶片20平稳加载，鉴相法频率跟踪控制方法可靠有效，共振加载时叶片振幅稳，满足了风机叶片20疲劳加载试验的实际需求。控制方法实施简单、适应性良好，具有一定的参考和推广使用价值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种风机叶片双自由度疲劳加载激振装置，其特征在于，包括：支撑主体、摆振组件和挥舞组件；所述摆振组件和所述挥舞组件均安装于所述支撑主体上；所述支撑主体包括第一面板(5)、第二面板(17)、第三面板(18)、横向梁(14)、竖向柱(15)；所述第一面板(5)通过竖向柱(15)分别与所述第二面板(17)、所述第三面板(18)连接，所述第二面板(17)与所述第三面板(18)通过横向梁(14)连接；所述摆振组件设于所述第一面板(5)上，所述摆振组件包括摆振导轨(1)、摆振连杆(2)、摆振伺服电机(3)、摆振圆盘(4)、摆振同步带(7)；所述摆振导轨(1)设有摆振动质量块；所述摆振导轨(1)通过所述摆振连杆(2)与所述摆振动质量块连接；所述摆振同步带(7)连接所述摆振伺服电机(3)和所述摆振圆盘(4)的同步齿轮；所述第二面板(17)和所述第三面板(18)上均设有所述挥舞组件；所述挥舞组件包括挥舞圆盘(8)、挥舞连杆(9)、挥舞导轨(13)、挥舞伺服电机(12)、挥舞同步带；所述挥舞导轨(13)上设有所述挥舞动质量块(11)；所述挥舞圆盘(8)通过挥舞连杆(9)与所述挥舞动质量块(11)连接；所述第二面板(17)上的挥舞圆盘(8)与第三面板(18)上的挥舞圆盘(8)通过圆盘连杆连接，所述圆盘连杆与所述挥舞伺服电机(12)的同步齿轮通过所述挥舞同步带连接。
2.根据权利要求1所述的一种风机叶片双自由度疲劳加载激振装置，其特征在于，所述摆振导轨(1)和所述挥舞导轨(13)竖直截面均呈现倒置梯状。
3.根据权利要求1或2所述的一种风机叶片双自由度疲劳加载激振装置，其特征在于，激振装置还包括台架(16)，所述台架(16)固定在所述第二面板(17)和所述第三面板(18)上；所述台架(16)中间设有贯穿的圆孔，用于通过所述圆盘连杆；所述圆盘连杆分别连接所述第二面板(17)上的挥舞圆盘(8)与所述第三面板(18)上的挥舞圆盘(8)。
4.根据权利要求1所述的一种风机叶片双自由度疲劳加载激振装置，其特征在于，激振装置产生的激振力的计算公式为：
Figure FDA0003870530650000021
式中，m为动质量块的质量；t为时间；R为曲柄长度；L为连杆长；ω为电机角速度。
5.一种风机叶片双自由度疲劳加载系统，其特征在于，包括：加载支座(19)、上位机(26)、控制柜、激振装置、动态应变采集仪(24)、视觉检测系统(25)；
所述加载支座(19)，用于固定风机叶片(20)；
所述上位机(26)，用于各个设备的通信数据的采集以及控制指令的生成；
所述控制柜，用于控制激振装置的运动参数以及获取动态应变采集仪(24)和视觉检测系统(25)的数据；
所述激振装置，用于驱动风机叶片(20)在挥舞方向和摆振方向振动；
所述动态应变采集仪(24)，用于实时监控风机叶片(20)的应变情况；
所述视觉检测系统(25)，用于实时检测叶片的振动位移数据。
6.根据权利要求5所述的一种风机叶片双自由度疲劳加载系统，其特征在于，所述控制柜包括线性自抗扰控制器，所述线性自抗扰控制器由线性扩张状态观测器、线性PD控制器、误差补偿控制律组成。
7.一种风机叶片双自由度疲劳加载控制方法，其特征在于，具体步骤为：
基于风机叶片双自由度疲劳加载系统建立系统振动动力学模型；
基于相位差共振频率跟踪法，利用系统振动动力学模型的特性获取激振频率的调节方向；
基于激振频率的调节方向对应调节激振频率，实现风机叶片双自由度疲劳加载系统的共振加载。
8.根据权利要求7所述的一种风机叶片双自由度疲劳加载控制方法，其特征在于，系统振动动力学模型包括：
Figure FDA0003870530650000031
Figure FDA0003870530650000032
式中，A为风机叶片的振幅；m为动质量块质量；Y1为复运动位移；k为模型的刚度；r为频率比；ζ为阻尼比；
Figure FDA0003870530650000033
为相位差；β为振幅相对静变形的放大倍数。
9.根据权利要求7所述的一种风机叶片双自由度疲劳加载控制方法，其特征在于，相位差共振频率跟踪法具体为：
步骤21、获取风机叶片双自由度疲劳加载系统共振状态下的共振加载振幅A0和共振加载相位
Figure FDA0003870530650000034
步骤22、获取当前振幅A，判断当前振幅A的衰减是否超过预设值，若是，执行步骤23；若否，则返回步骤21；
步骤23、判断当前相位
Figure FDA0003870530650000035
是否大于共振加载相位
Figure FDA0003870530650000036
步骤24、根据判断结果以不同的步长进行激振频率调节。
10.根据权利要求9所述的一种风机叶片双自由度疲劳加载控制方法，其特征在于，激振频率调节过程中还包括对当前振幅A是否稳定进行判断。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115993225A (zh) * 2023-02-15 2023-04-21 兰州理工大学 一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置及控制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111721491A (zh) * 2020-07-21 2020-09-29 上海电气风电集团股份有限公司 风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法和两轴加载设备
CN112161795A (zh) * 2020-11-05 2021-01-01 武汉理工大学 一种用于风力发电机叶片疲劳试验的双轴协同加载测量装置
CN112414697A (zh) * 2021-01-25 2021-02-26 南昌工程学院 风电叶片自由度疲劳加载控制方法、装置及系统
CN113624435A (zh) * 2021-07-27 2021-11-09 中国科学院工程热物理研究所 一种风力机叶片双轴共振式疲劳加载响应相位关系的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111721491A (zh) * 2020-07-21 2020-09-29 上海电气风电集团股份有限公司 风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法和两轴加载设备
CN112161795A (zh) * 2020-11-05 2021-01-01 武汉理工大学 一种用于风力发电机叶片疲劳试验的双轴协同加载测量装置
CN112414697A (zh) * 2021-01-25 2021-02-26 南昌工程学院 风电叶片自由度疲劳加载控制方法、装置及系统
CN113624435A (zh) * 2021-07-27 2021-11-09 中国科学院工程热物理研究所 一种风力机叶片双轴共振式疲劳加载响应相位关系的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
廖高华 等: "风电叶片双向惯性式疲劳加载系统及控制研究" *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115993225A (zh) * 2023-02-15 2023-04-21 兰州理工大学 一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置及控制方法
CN115993225B (zh) * 2023-02-15 2023-11-03 兰州理工大学 一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置及控制方法

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