CN115993225A - 一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置及控制方法，激励装置包括：支架本体、振动电机、振动惯性轮、测量传感器以及控制器；所述振动电机与支架本体相连接；所述振动惯性轮与振动电机的输出轴固定连接；所述测量传感器设置于地面，测量靠近风叶根部位置的距离；所述测量传感器、和振动电机均与所述控制器相连接。本发明中的激励装置能耗低，可以控制振动幅度。

Description

一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电叶片疲劳试验装置技术领域，更具体的说是涉及一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置及控制方法。

背景技术

风力发电风叶生产过程中，风叶寿命检测过程比较长，需要每个方向的震动3个月的材料疲劳实验，震动时间长，现在的方式用变频器带动电机进行调速，通过减速机对电机进行减速，减速机带动偏心轮负载，从而达到和风叶共振的过程，由于使用过程中电机激励频率不能完全匹配风叶震动频率，从而使得电机功率比较大，能耗比较高。并且一个电机不能完全匹配所有的风叶。

现有的专利号为201721880012.3，专利名称为一种风轮叶片双电机单轴激励装置、以及风轮叶片试验系统的专利中，通过减速机带动从动轴转动，从动轴带动摆臂转动，摆臂带动质量块转动，振动需要比较大的减速机带动偏心摆臂振动，机械装置偏心，使用寿命短，所产生激励源的力矩大小是固定的，如果想根据风叶的振幅调整力矩大小，则需要停机更换其他重量的质量块。该专利中依然存在电机激励频率不能完全匹配风叶振动频率的问题。

因此，研究出一种能耗低，可以控制振动幅度的低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置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，本发明提供了一种能耗低，可以控制振动幅度的低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置，包括：

支架本体，

振动电机，所述振动电机与支架本体相连接；

振动惯性轮，所述振动惯性轮与振动电机的输出端固定连接；

测量传感器，所述测量传感器设置于地面，测量靠近风叶根部位置的距离；

控制器，所述测量传感器、和振动电机均与所述控制器相连接。

采用上述技术方案的有益效果是，本发明中通过对风叶姿态的测量，控制振动电机启动、停止、反转过程的加速力矩和减速力矩，通过反力矩作用完成共振过程的震动激励，以保持等幅震动；通过控制加速和减速时间来控制激励源的激励能量，从而达到控制振幅的目的，可以在不停机的情况下，随时调整激励源的力矩大小，同时降低激励源能耗。

优选的，所述振动电机包括：水平振动电机和竖直振动电机，所述水平振动电机、竖直振动电机均与支架本体相连接；且所述水平振动电机和竖直振动电机的布置方位相垂直；所述水平振动电机和竖直振动电机的输出端均连接有振动惯性轮。水平振动电机和竖直振动电机可以提供两个方向同时振动，可以提高效率，缩短抗疲劳试验的时间。

优选的，所述水平振动电机和竖直振动电机连接的两个振动惯性轮的轴线方向相垂直。

一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置的控制方法，包括如下步骤：

1)在风叶表面安装激励装置，根据风叶的长度，在激励装置中选择相应数量的振动电机；安装测量传感器，测量靠近风叶根部位置的振幅变化；

2)将风叶静止状态时的位置设定为中线位置，即振幅为零的位置；当风叶通过中线需要向下振动激励时，振动电机驱动振动惯性轮速度从零逆时针加速，根据力矩平衡原理，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向下运动，当振动振幅到达下限最大值时，振动电机逆时针旋转速度达到最大值；

3)当风叶从运动下限向上运动时，振动电机驱动振动惯性轮逆时针减速，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向上运动，在到达振幅为零时，振动电机旋转速度减速到零；

4)当风叶从振幅为零的位置向上运动时，振动电机驱动振动惯性轮顺时针加速，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向上运动，在到达振幅上限值时，振动电机顺时针旋转速度达到最大；

5)当风叶从运动上限向下运动时，振动电机驱动振动惯性轮顺时针减速，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向下运动，在到达振幅为零时，振动电机顺时针转速度减速到零。

采用上述技术方案的有益效果是，本发明中根据测量传感器传输出风叶的振幅，振动电机根据振幅反馈过控制振动电机加速和减速时间来控制激励源的激励能量，精确控制激励频率和共振频率完全同步，从而可以降低电机功率，同时降低能耗。

优选的，力矩平衡原理公式如下：

M＝Ω*m*r2

其中，M为力矩，Ω为角加速度，m为质量，r为半径。

优选的，所述测量传感器设有两个，分别测量风叶靠近根部位置的垂直距离和水平距离。

优选的，上限值为测量传感器所测量的距离值由增加变为减小时；下限值为测量传感器所测量的距离值由减小变为增加时。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置及控制方法，其有益效果为：

(1)本发明中中没有巨大的减速机，大大节约了成本，没有巨大的机械冲击，提高了设备使用寿命；

(2)能过够根据风叶振幅随时不停机调整激励源的力矩,可以缩短激励时间，从而达到控制振幅的目的，同时降低激励源能耗；改变了现有机械振动一旦配重确定，只有在下一次停机时候才能调整振幅的缺陷；

(3)通过测量传感器的测量及反馈，精确预知风叶的振动频率，控制激励源频率和风叶振动频率完全同步，使得激励源能耗达到最小；

(4)该装置可以同时控制多台振动电机同步，从而可以测试不同型号风叶的功能，只需要根据风叶大小增加或减少振动电机数量即可，调整极为方便；

(5)姿态测量可以对不同方向角度进行，可以同时进行水平振动和竖直方向振动，并且可以在不同的方向采用不同的频率激励振动。

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为本发明提供的激励装置的主视图；

图2为本发明提供的激励装置的左视图；

图3为本发明提供的激励装置的俯视图；

图4为本发明提供的激励装置在中线位置时的结构示意图；

图5为本发明提供的激励装置两种激励状态的结构示意图。

其中，图中，

1-支架本体；

2-振动电机；

21-水平振动电机；22-竖直振动电机；

3-振动惯性轮；4-中线；A-向上震动；B-向下振动；C-顺时针旋转；D-逆时针旋转。

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。

本发明实施例公开了一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置，包括：

支架本体1，

振动电机2，振动电机2与支架本体1相连接；

振动惯性轮3，振动惯性轮3与振动电机2的输出端固定连接；

测量传感器，测量传感器设置于地面，测量靠近风叶根部位置的距离；

控制器，测量传感器和振动电机2均与控制器相连接。振动电机2选用伺服电机。本装置采用振动电机2作为激励源，振动电机2输出轴上安装振动惯性轮3，控制振动电机2根据震动方向进行加速、减速，从而达到对震动进行激励的过程，该装置没有减速机，大大节约了成本和装置重量；振动电机2输出轴上的装置是匀质惯性装置(即振动惯性轮)，没有偏心装置，同时控制振动电机2采用恒力距加速过程，在同样激励效果的情况下，大幅降低了激励过程中对设备的冲击从而提高了使用寿命；同时由于精确控制激励频率和共振频率完全同步，从而可以降低电机功率，同时降低能耗。

为了进一步地优化上述技术方案，振动电机2包括：水平振动电机21和竖直振动电机22，水平振动电机21、竖直振动电机22均与支架本体1相连接；且水平振动电机21和竖直振动电机22的布置方位相垂直；水平振动电机21和竖直振动电机22的输出端均连接有振动惯性轮3。本装置可以同时控制多台振动电机2同步控制，可以实现适应不同型号的风叶疲劳实验功能，避免一套装置只能针对相近型号风叶测试的使用效率地下的情况出现。同样的情况，两台电机垂直安装，分别控制，可以同时完成两个方向的疲劳测试功能，由于是姿态测量控制，两个方向的参数可以分开检测处理，并同时控制两个方向的不同震动频率的激励；该装置还能够根据振幅反馈，控制震动达到振幅要求后进行等幅激励震动，通过控制加速和减速时间来控制激励源的激励能量，从而达到控制振幅的目的。

为了进一步地优化上述技术方案，水平振动电机21和竖直振动电机22连接的两个振动惯性轮3的轴线方向相垂直。

一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置的控制方法，包括如下步骤：

1)在风叶表面安装激励装置，根据风叶的长度，在激励装置中选择相应数量的振动电机2；安装测量传感器，测量靠近风叶根部位置的振幅变化；

2)将风叶静止状态时的位置设定为中线4位置，即振幅为零的位置；当风叶通过中线4需要向下振动激励时，振动电机2驱动振动惯性轮3速度从零逆时针加速，根据力矩平衡原理，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向下运动，当振动振幅到达下限最大值时，振动电机2逆时针旋转速度达到最大值；

3)当风叶从运动下限向上运动时，振动电机2驱动振动惯性轮3逆时针减速，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向上运动，在到达振幅为零时，振动电机2旋转速度减速到零；

4)当风叶从振幅为零的位置向上运动时，振动电机2驱动振动惯性轮3顺时针加速，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向上运动，在到达振幅上限值时，振动电机2顺时针旋转速度达到最大；

5)当风叶从运动上限向下运动时，振动电机2驱动振动惯性轮3顺时针减速，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向下运动，在到达振幅为零时，振动电机2顺时针转速度减速到零。

为了进一步地优化上述技术方案，由于振动惯性轮3直接安装在振动电机2的输出轴上，所以振动惯性轮3的转速最高可达到振动电机2转速，当振动惯性轮3的旋转惯性比较大的时候，振动电机2时刻处于旋转加速和减速过程中，从而给振动提供持续的激励力矩。振动惯性轮3为均质圆盘，对振动电机没有机械冲击。由于振动电机2转速比较高，在一定的周期内加速和减速力矩，振动惯性轮3的质量并不是很大，频繁控制振动电机2在振动电机2的工作力矩范围内加速、减速，对风叶的激励力矩持续在振动周期内，振动激励冲击小。可以根据振幅控振动电机的加速和减速时间，控制对风叶的激励力矩时间，从而控制振动的效果和振幅的大小，能够使设备有大幅的节能降耗效果。

为了进一步地优化上述技术方案，力矩平衡原理公式如下：

M＝Ω*m*r2

其中，M为力矩，Ω为角加速度，m为质量，r为半径。

为了进一步地优化上述技术方案，测量传感器设有两个，分别测量风叶靠近根部位置的垂直距离和水平距离。通过测量传感器测量疲劳实验风叶的姿态，然后通过控制器对姿态参数进行快速数据分析，从而通过控制实现对振动电机激励源的精确控制，最大程度的利用共振原理对设备进行激励，从而使激励源和振动设备完全同步，最大程度的降低设备能量消耗。测量传感器测量的是距离风叶根部合适位置的水平距离和垂直距离，其具体位置需要根据风叶的尺寸进行相应的调整。测量水平距离的测量传感器用于控制调整水平振动电机21，测量垂直距离的测量传感器用于控制调整垂直振动电机22。

为了进一步地优化上述技术方案，上限值为测量传感器所测量的距离值由增加变为减小时；下限值为测量传感器所测量的距离值由减小变为增加时。

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 (7)

1.一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置，其特征在于，包括：

支架本体(1)，

振动电机(2)，所述振动电机(2)与支架本体(1)相连接；

振动惯性轮(3)，所述振动惯性轮(3)与振动电机(2)的输出端固定连接；

测量传感器，所述测量传感器设置于地面，测量靠近风叶根部位置的距离；

控制器，所述测量传感器和振动电机(2)均与所述控制器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置，其特征在于，所述振动电机(2)包括：水平振动电机(21)和竖直振动电机(22)，所述水平振动电机(21)、竖直振动电机(22)均与支架本体(1)相连接；且所述水平振动电机(21)和竖直振动电机(22)的布置方位相垂直；所述水平振动电机(21)和竖直振动电机(22)的输出端均连接有振动惯性轮(3)。

3.根据权利要求2所述的一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置，其特征在于，所述水平振动电机(21)和竖直振动电机(22)连接的两个振动惯性轮(3)的轴线方向相垂直。

4.一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在风叶表面安装激励装置，根据风叶的长度，在激励装置中选择相应数量的振动电机(2)；安装测量传感器，测量靠近风叶根部位置的振幅变化；

2)将风叶静止状态时的位置设定为中线(4)位置，即振幅为零的位置；当风叶通过中线(4)需要向下振动激励时，振动电机(2)驱动振动惯性轮(3)速度从零逆时针加速，根据力矩平衡原理，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向下运动，当振动振幅到达下限最大值时，振动电机(2)逆时针旋转速度达到最大值；

3)当风叶从运动下限向上运动时，振动电机(2)驱动振动惯性轮(3)逆时针减速，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向上运动，在到达振幅为零时，振动电机(2)旋转速度减速到零；

4)当风叶从振幅为零的位置向上运动时，振动电机(2)驱动振动惯性轮(3)顺时针加速，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向上运动，在到达振幅上限值时，振动电机(2)顺时针旋转速度达到最大；

5)当风叶从运动上限向下运动时，振动电机(2)驱动振动惯性轮(3)顺时针减速，在风叶前端产生一个方向相反的反作用力矩，驱动风叶向下运动，在到达振幅为零时，振动电机(2)顺时针转速度减速到零。

5.根据权利要求4所述的一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置的控制方法，其特征在于，力矩平衡原理公式如下：

M＝Ω*m*r²

其中，M为力矩，Ω为角加速度，m为质量，r为半径。

6.根据权利要求4所述的一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置的控制方法，其特征在于，所述测量传感器设有两个，分别测量靠近风叶根部位置的垂直距离和水平距离。

7.根据权利要求6所述的一种低能耗共振疲劳试验平衡式激励装置的控制方法，其特征在于，上限值为测量传感器所测量的距离值由增加变为减小时；下限值为测量传感器所测量的距离值由减小变为增加时。

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