CN116429363A - 一种风电叶片疲劳测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种风电叶片疲劳测试装置，包括：叶片夹具，所述叶片夹具安装在所述叶片上；激振组件，所述激振组件设于平面上；连接机构，所述连接机构的一端与所述叶片夹具铰接，所述连接机构的另一端与所述激振组件传动连接。本发明激振设备不安装在叶片上，避免了激振设备自重对叶片固有属性以及弯矩载荷分布的影响。
Description
技术领域
本发明涉及风电叶片测试的技术领域，尤其涉及一种风电叶片疲劳测试装置及其测试方法。
背景技术
风电叶片作为风力发电机的重要组成部分，其使用寿命和运行可靠性是风机安全稳定运行的重要环节之一。风电叶片在运行过程中会受到交变载荷的作用，疲劳损坏是叶片主要失效形式之一。为了保证叶片的疲劳寿命能够满足使用需要，需要对叶片进行疲劳加载试验以检验叶片的性能以及寿命。
目前，在叶片疲劳测试中，通常采用惯性式激振器，即激振器安装在叶片上，依靠驱动质量块产生的惯性力来使叶片产生共振。随着叶片尺寸的大型化，往往需要更大激振能力的激振器去使叶片振动时的动态弯矩满足目标值。然而，更大激振能力的激振器需要增大移动质量块的质量，加强安装位置夹具的强度，这相当于增加了叶片的配重质量，会对叶片的弯矩分布产生影响，进一步也会降低叶片的测试频率，延长测试周期。
因此，为了消除惯性激振器和加强夹具对叶片弯矩分布以及固有频率的影响，以及减少激振设备维护和安装成本，亟需一种新的风电叶片疲劳测试系统及其测试方法以适用大型叶片的测试需求。
发明内容
针对现有的叶片疲劳测试存在的上述问题，现旨在提供一种风电叶片疲劳测试装置及其测试方法。
具体技术方案如下：
一种风电叶片疲劳测试装置，包括：
叶片夹具，所述叶片夹具安装在所述叶片上；
激振组件，所述激振组件设于平面上；
连接机构，所述连接机构的一端与所述叶片夹具铰接，所述连接机构的另一端与所述激振组件传动连接。
上述的风电叶片疲劳测试装置，其中，还包括：加载支座，所述加载支座设于所述叶片夹具的下方；
所述激振组件包括两激振设备，两所述激振设备分别设于所述加载支座的两侧；
所述连接机构包括：两连接组件，所述连接组件与所述激振设备传动连接，所述连接组件分别与所述叶片夹具、所述加载支座铰接。
上述的风电叶片疲劳测试装置，其中，每一所述连接组件均包括：第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第一连杆的一端与所述叶片夹具铰接，所述第二连杆的一端与所述第一连杆的另一端铰接，所述第二连杆的另一端与所述加载支座的一侧铰接，所述第三连杆的一端与所述第二连杆的中部铰接，所述激振设备与所述第三连杆的另一端传动连接。
上述的风电叶片疲劳测试装置，其中，所述第三连杆的另一端与所述激振设备铰接，所述第三连杆与所述激振设备的铰接点与所述激振设备的旋转中心轴线之间形成有距离。
上述的风电叶片疲劳测试装置，其中，所述激振组件包括：激振设备，所述激振设备设于所述平面上，所述连接机构为缆绳，所述缆绳的一端与所述叶片夹具铰接，所述缆绳的另一端与所述激振设备传动连接。
上述的风电叶片疲劳测试装置，其中，每一所述激振设备均包括：电机和飞轮，所述电机与所述飞轮的中心传动连接，所述飞轮的侧边与所述第三连杆的另一端铰接；
一种风电叶片疲劳测试装置的测试方法，使用上述的风电叶片疲劳测试装置，所述测试方法包括：
步骤A1：起振阶段：所述电机往复旋转，依次带动所述第三连杆、所述第二连杆和所述第一连杆摆动，从而对所述叶片夹具施加与所述叶片的固有频率接近的激励载荷，激励所述叶片进入小振幅共振状态，所述电机逐步增大施加扭矩，使得所述叶片进入单轴共振阶段，执行A2步骤；
步骤A2：单轴共振阶段：所述叶片进行挥舞方向的疲劳测试时，当两所述激振设备同向安装时，两所述电机的运动方向相反，当两所述激振设备对向安装时，两所述电机的运动方向一致；所述叶片进行摆振方向的疲劳测试时，当两所述激振设备同向安装时，两所述电机的运动方向一致，当两所述激振设备对向安装时，两所述电机的运动方向相反，执行A3步骤；
步骤A3：双轴共振阶段：对所述叶片同时进行挥舞和摆振方向的加载，所述叶片受到的激励载荷在挥舞和摆振方向上的分量均能满足所述叶片两个方向上的共振条件。
上述的风电叶片疲劳测试的测试方法，其特征在于，所述A1步骤中，所述叶片的固有频率可通过贴在叶片上的应变或位移信号获取。
一种风电叶片牵引疲劳测试装置的测试方法，使用上述的风电叶片疲劳测试装置，所述测试方法包括：
步骤B1：起振阶段：所述电机往复旋转，所述缆绳对所述叶片施加单向激励，激励载荷和所述叶片的固有频率接近，激励所述叶片进入小振幅共振状态，所述叶片回弹时，使所述电机的旋转速度略小于所述叶片的回弹速度，以使所述缆绳处于受力状态，且不晃动，逐步增大所述电机的扭矩，待所述电机能够完成单向旋转时，即所述叶片达到目标振幅时，所述叶片进入单轴共振阶段，执行B2步骤；
步骤B2：共振阶段：所述叶片进入共振状态后，通过上位机显示所述叶片应变波形应接近正弦波，此时逐步增加所述电机的输出扭矩，使所述叶片进入大振幅共振状态，此时所述电机单向旋转维持所述叶片的等幅振动。
上述技术方案与现有技术相比具有的积极效果是：
(1)本发明的激振设备不安装在叶片上，避免了激振设备自重以及加强叶片夹具对叶片固有属性以及弯矩载荷的影响；
(2)本发明调节连接组件的相对安装位置以及摆动角度范围可适用于不同加载点处的叶片振幅；
(3)本发明激振设备安装在地面，连接组件为硬连接，可提供双向激励，适用于叶片单轴和双轴疲劳测试；此外，通过选取合适的电机以及减速机，可以减小常规配重对叶片产生的静态形变；
(4)本发明可使用缆绳作为激励传递介质，避免了意外情况导致的硬连接和叶片不同步导致的叶片或设备受损情况，提高了疲劳测试设备的安全性。
附图说明
图1为本发明一种风电叶片疲劳测试装置及其测试方法的第一实施例的单轴疲劳测试系统示意图；
图2为本发明一种风电叶片疲劳测试装置及其测试方法的第一实施例的双轴疲劳测试系统示意图；
图3为本发明一种风电叶片疲劳测试装置及其测试方法的第二实施例的单轴疲劳测试系统示意图；
附图中：1、叶片夹具；2、加载支座；3、激振设备；4、连接组件；5、安装孔；11、第一连杆；12、第二连杆；13、第三连杆；14、缆绳；21、电机；22、飞轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
第一实施例：
图1为本发明一种风电叶片疲劳测试装置及其测试方法的单轴疲劳测试系统示意图，图2为本发明一种风电叶片疲劳测试装置及其测试方法的双轴疲劳测试系统示意图，如图1至图2所示，示出了一种较佳实施例的风电叶片疲劳测试装置，包括：叶片夹具1、加载支座2、两激振设备3和两连接组件4，叶片夹具1安装在叶片上，加载支座2设于叶片夹具1的下方，两激振设备3分别设于加载支座2的两侧，连接组件4与激振设备3传动连接，连接组件4分别与叶片夹具1、加载支座2铰接。
进一步，作为一种较佳的实施例，每一连接组件4均包括：第一连杆11、第二连杆12和第三连杆13，第一连杆11的一端与叶片夹具1铰接，第二连杆12的一端与第一连杆11的另一端铰接，第二连杆12的另一端与加载支座2的一侧铰接，第三连杆13的一端与第二连杆12的中部铰接，激振设备3与第三连杆13的另一端传动连接。
进一步，作为一种较佳的实施例，第三连杆13的另一端与激振设备3铰接，第三连杆13与激振设备3的铰接点与激振设备3的旋转中心轴线之间形成有距离。
进一步，作为一种较佳的实施例，每一激振设备3均包括：电机21和飞轮22，电机21与飞轮22的中心传动连接，飞轮22的侧边与第三连杆13的另一端铰接。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。
本发明在上述基础上还具有如下实施方式：
本发明的进一步实施例中，请继续参见图1至图2所示，叶片夹具1上设有若干个安装孔5，两第一连杆11的一端分别与一安装孔5铰接。
本发明的进一步实施例中，叶片夹具1与第一连杆11之间安装有万向铰。
本发明的进一步实施例中，电机21上安装有减速机(图中未示出)，减速机与飞轮22传动连接。
本发明风电叶片疲劳测试装置的测试方法，使用风电叶片疲劳测试装置，测试方法包括：
步骤A1：起振阶段：变频器控制电机21往复旋转，依次带动第三连杆13、第二连杆12和第一连杆11摆动，从而对叶片夹具1施加与叶片的固有频率接近的激励载荷，激励叶片进入小振幅共振状态，电机21逐步增大施加扭矩，使得叶片进入单轴共振阶段，执行A2步骤；
步骤A2：单轴共振阶段：叶片进行挥舞方向的疲劳测试时，当两激振设备3同向安装时，两电机21的运动方向相反，当两激振设备3对向安装时，两电机21的运动方向一致；叶片进行摆振方向的疲劳测试时，当两激振设备3同向安装时，两电机21的运动方向一致，当两激振设备3对向安装时，两电机21的运动方向相反，执行步骤A3；
步骤A3：双轴共振阶段：对叶片同时进行挥舞和摆振方向的加载，叶片受到的激励载荷在挥舞和摆振方向上的分量均能满足叶片两个方向上的共振条件。
本发明的进一步实施例中，A1步骤中，叶片的固有频率可通过贴在叶片上的应变信号获取。可采用频域分析获得挥舞和摆振的固有频率。
本发明的激振设备3不安装在叶片上，避免了激振设备3自重以及加强叶片夹具1对叶片固有属性以及弯矩载荷的影响。
本发明调节连接组件4的相对安装位置以及摆动角度范围可适用于不同加载点处的叶片振幅。
本发明激振设备3安装在地面，连接组件4为硬连接，可提供双向激励，适用于叶片单轴和双轴疲劳测试。此外，通过选取合适的电机21以及减速机，可以减小常规配重对叶片产生的静态形变。
叶片进行挥舞方向的疲劳测试时，两组激振设备3同向安装时，两电机21运动方向相反；两组激振设备3对向安装时，两电机21运动方向一致。叶片进行摆振方向的疲劳测试时，两组激振设备3同向安装时，两电机21运动方向一致；两组激振设备3对向安装时，两电机21运动方向相反。电机21旋转规律可根据四连杆机构运动原理确定。
叶片起振阶段：激振设备3中的电机小角度往复旋转，带动飞轮22上偏心第三连杆13上下运动，第三连杆13带动与加载支座2一端铰接的第二连杆12往复摆动，第二连杆21推动第一连杆11对叶片夹具1施加与叶片的激励载荷，第一连杆11与第二连杆12的连接可承受一定的轴向运动。叶片夹具1和与其连接的第一连杆11之间安装有万向铰，以适应叶片挥舞、摆振以及展向位移。叶片受到激励载荷后缓慢小幅度振动，上位机显示叶片的应变信号波形，通过对该应变信号的FFT分析，可以获得叶片的一阶固有频率等模态信息，上位机根据分析得到的叶片一阶固有频率，调整电机的往复旋转频率，使得叶片进入小幅度共振状态。
叶片共振阶段：叶片进入共振状态后，上位机显示的叶片应变波形应接近正弦波，此时可选择逐步增加电机21的输出扭矩，使叶片进入大振幅共振状态。
此外，针对同一/不同叶片不同加载点处目标振幅的变化，可通过调整连接组件4中第一连杆11在第二连杆12上的安装位置或调整激振设备中电机的往复转动行程。目标振幅为小振幅时，可将第一连杆11在第二连杆12上的安装位置靠近加载支座移动或者减小电机的转动行程；目标振幅为大振幅时，可将第一连杆11在第二连杆12上的安装位置远离加载支座移动或者增大电机的转动行程。此外，也可调节第三连杆13在第二连杆12上的安装位置来适应加载点处的目标振幅。
叶片进行双轴疲劳测试时，即对叶片同时进行挥舞和摆振方向的加载。在测试之前首先需要确定叶片受到的激励载荷形式，即根据四连杆机构运动原理以及第一连杆11和叶片夹具1相连位置处的受力分析进行确定。叶片受到的激励载荷在挥舞和摆振方向上的分量分别为F1(t)和F2(t)，且均能满足叶片两个方向上的共振条件。
在叶片起振阶段，两组激振设备3中的电机按照设定的运动规律小角度往复摆动，带动飞轮22上偏心第三连杆13上下运动，第三连杆13带动与加载支座2一端铰接的第二连杆12往复摆动，第二连杆12推动第一连杆11对叶片夹具1施加与叶片的激励载荷，第一连杆11与第二连杆12的连接可承受一定的轴向运动。叶片夹具1和与其连接的第一连杆11之间安装有万向铰，以适应叶片挥舞、摆振以及展向位移。叶片受到激励载荷后缓慢小幅度振动，变频器调整电机设定运动规律中的往复摆动频率，使得叶片进入小幅度双轴共振状态。
同理，叶片进入共振状态后，可选择逐步增加电机21的输出扭矩，使叶片进入大振幅共振状态。
第二实施例：
图3为本发明一种风电叶片疲劳测试装置及其测试方法的第二实施例的单轴疲劳测试系统示意图，如图3所示，本实施例的主体结构与第一实施例的大体相同，不同之处在：激振组件包括：激振设备3，激振设备3设于平面上，连接机构为缆绳14，缆绳14的一端与叶片夹具1铰接，缆绳14的另一端与激振设备3传动连接。
优选的，缆绳14的一端与一安装孔5铰接。
优选的，叶片夹具1与缆绳14之间安装有万向铰。
本发明风电叶片疲劳测试装置的测试方法，使用风电叶片疲劳测试装置，叶片进行挥舞方向的疲劳测试时，连接机构为高强度缆索，飞轮半径即为叶片振幅。
测试方法包括：
步骤B1：起振阶段：电机21往复摆动，缆绳14对叶片施加单向激励，激励载荷和叶片的固有频率接近，激励叶片进入小振幅共振状态，叶片回弹时，使电机21的旋转速度略小于叶片的回弹速度，以使缆绳14处于受力状态，且不发生晃动，逐步增大电机21的扭矩，待电机21能够完成单向旋转时，即叶片达到目标振幅时，叶片进入单轴共振阶段，执行B2步骤；
步骤B2：共振阶段：叶片进入共振状态后，通过上位机显示叶片应变波形应接近正弦波，此时逐步增加电机21的输出扭矩，使叶片进入大振幅共振状态，此时电机21单向旋转维持叶片的等幅振动。
优选的，步骤B1中：激振设备3中的电机21小角度正向旋转，带动飞轮22上偏心缆索施加对叶片夹具1的激励载荷，叶片回弹时，电机21被叶片的弹性力回带反转。叶片受到激励载荷后缓慢小幅度振动，变频器调整电机21的往复摆动频率，使得叶片进入小幅度共振状态。其中叶片回弹时，使电机21旋转速度略小于叶片回弹速度，保证缆绳处于受力状态，不发生晃动。
本发明可使用缆绳14作为激励的柔性传递介质，避免了硬连接叶片或设备受损，提高了疲劳测试设备的安全性。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，包括：
叶片夹具，所述叶片夹具安装在所述叶片上；
激振组件，所述激振组件设于平面上；
连接机构，所述连接机构的一端与所述叶片夹具铰接，所述连接机构的另一端与所述激振组件传动连接。
2.根据权利要求1所述风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，还包括：加载支座，所述加载支座设于所述叶片夹具的下方；
所述激振组件包括两激振设备，两所述激振设备分别设于所述加载支座的两侧；
所述连接机构包括：两连接组件，所述连接组件与所述激振设备传动连接，所述连接组件分别与所述叶片夹具、所述加载支座铰接。
3.根据权利要求2所述风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，每一所述连接组件均包括：第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第一连杆的一端与所述叶片夹具铰接，所述第二连杆的一端与所述第一连杆的另一端铰接，所述第二连杆的另一端与所述加载支座的一侧铰接，所述第三连杆的一端与所述第二连杆的中部铰接，所述激振设备与所述第三连杆的另一端传动连接。
4.根据权利要求3所述风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，所述第三连杆的另一端与所述激振设备铰接，所述第三连杆与所述激振设备的铰接点与所述激振设备的旋转中心轴线之间形成有距离。
5.根据权利要求1所述风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，所述激振组件包括：激振设备，所述激振设备设于所述平面上，所述连接机构为缆绳，所述缆绳的一端与所述叶片夹具铰接，所述缆绳的另一端与所述激振设备传动连接。
6.根据权利要求4或5所述风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，每一所述激振设备均包括：电机和飞轮，所述电机与所述飞轮通过减速机连接，所述飞轮的侧边与所述第三连杆的另一端铰接。
7.根据权利要求1所述风电叶片疲劳测试装置，其特征在于，所述叶片夹具上设有若干个安装孔。
8.一种风电叶片疲劳测试装置的测试方法，其特征在于，使用权利要求6所述的风电叶片疲劳测试装置，所述测试方法包括：
步骤A1：起振阶段：所述电机往复旋转，依次带动所述第三连杆、所述第二连杆和所述第一连杆摆动，从而对所述叶片夹具施加与所述叶片的固有频率接近的激励载荷，激励所述叶片进入小振幅共振状态，所述电机逐步增大施加扭矩，使得所述叶片进入单轴共振阶段，执行A2步骤；
步骤A2：单轴共振阶段：所述叶片进行挥舞方向的疲劳测试时，当两所述激振设备同向安装时，两所述电机的运动方向相反，当两所述激振设备对向安装时，两所述电机的运动方向一致；所述叶片进行摆振方向的疲劳测试时，当两所述激振设备同向安装时，两所述电机的运动方向一致，当两所述激振设备对向安装时，两所述电机的运动方向相反，执行A3步骤；
步骤A3：双轴共振阶段：对所述叶片同时进行挥舞和摆振方向的加载，所述叶片受到的激励载荷在挥舞和摆振方向上的分量均能满足所述叶片两个方向上的共振条件。
9.根据权利要求8所述风电叶片疲劳测试装置的测试方法，其特征在于，所述A1步骤中，所述叶片的固有频率可通过贴在叶片上的应变或位移信号获取。
10.一种风电叶片疲劳测试装置的测试方法，其特征在于，使用权利要求6所述的风电叶片疲劳测试装置，所述测试方法包括：
步骤B1：起振阶段：所述电机往复旋转，所述缆绳对所述叶片施加单向激励，激励载荷和所述叶片的固有频率接近，激励所述叶片进入小振幅共振状态，所述叶片回弹时，使所述电机的旋转速度小于所述叶片的回弹速度，以使所述缆绳处于受力状态，且不晃动，逐步增大所述电机的扭矩，待所述电机能够完成单向旋转时，即所述叶片达到目标振幅时，所述叶片进入单轴共振阶段，执行B2步骤；
步骤B2：共振阶段：所述叶片进入共振状态后，通过上位机显示所述叶片应变波形应接近正弦波，此时逐步增加所述电机的输出扭矩，使所述叶片进入大振幅共振状态，此时所述电机单向旋转维持所述叶片的等幅振动。
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- 2023-04-12 CN CN202310388320.8A patent/CN116429363A/zh active Pending
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| CN117405532A (zh) * | 2023-12-12 | 2024-01-16 | 兰州理工大学 | 一种叶片多功能疲劳测试装置 |
| CN117405532B (zh) * | 2023-12-12 | 2024-06-11 | 兰州理工大学 | 一种叶片多功能疲劳测试装置 |
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