具有自動(dòng)控制功能的風(fēng)機(jī)葉片疲勞加載基座設(shè)計(jì)

成昌振，袁光明

（1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255091；2.魯中職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，山東 濱州 256200）

目前，風(fēng)能已經(jīng)成為世界上增長最快的新能源，隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，葉片的尺度也在相應(yīng)增加。風(fēng)機(jī)葉片，作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其制造成本占總成本的20%～30%[1~4]。玻璃鋼復(fù)合纖維由于其具有密度小、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，其密度只有鋼材的1/6～1/4，而強(qiáng)度卻為鋼的3～4 倍，因此被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的制造上。

隨著葉片尺寸的增加，不僅帶來制造成本的提高，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞損傷，也逐漸凸顯出來。一旦葉片發(fā)生損壞，會(huì)讓制造商和投資商蒙受巨大損失。因此，對(duì)葉片品質(zhì)進(jìn)行檢測，越來越受到重視。

本課題研究目的，就是設(shè)計(jì)合理、高效、創(chuàng)新的風(fēng)機(jī)葉片疲勞加載試驗(yàn)基座，取代葉片根部傳統(tǒng)的機(jī)械式固定方式，提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度，縮短試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)成本。

1 疲勞加載基座總體設(shè)計(jì)

在分析各種加載方案利弊的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)一套具有自動(dòng)控制功能的疲勞加載試驗(yàn)基座。其總體方案采用回轉(zhuǎn)支承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓缸帶動(dòng)楔塊插入實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)后鎖緊。筆者并設(shè)計(jì)了合理的基座機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立了疲勞加載試驗(yàn)臺(tái)的三維模型，使用了有限元軟件對(duì)基座的重要部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖1 疲勞加載基座總體方案圖

裝配關(guān)系為：法蘭1 左端用螺栓固定于疲勞基座上，法蘭1 右端連接回轉(zhuǎn)支承外圈，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈與法蘭3 用螺栓固定。法蘭2 左端與基座采用兩排螺栓固定，法蘭2 外表面焊有凸臺(tái)并開有楔形孔，用于安裝液壓缸和插入楔塊。最后，將葉片通過根部高強(qiáng)螺栓安裝在法蘭3 上。回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒圈與小齒輪嚙合，液壓馬達(dá)則為小齒輪提供動(dòng)力。

2 疲勞加載基座工作原理

整個(gè)疲勞加載基座的內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其工作原理為：試驗(yàn)前將所有零部件按照裝配關(guān)系裝配完畢，液壓缸活塞帶動(dòng)楔塊，插入法蘭上的楔形孔，將法蘭與法蘭壓緊，實(shí)現(xiàn)固定；當(dāng)靜力加載完成翼弦向試驗(yàn)，需要轉(zhuǎn)動(dòng)葉片進(jìn)行翼面向試驗(yàn)時(shí)，液壓缸帶動(dòng)楔塊拔出，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)小齒輪與軸承內(nèi)齒圈嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片根部通過法蘭與軸承內(nèi)圈相連，因而葉片旋轉(zhuǎn)，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)90°后，馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓缸活塞將楔塊插入楔孔，再次將法蘭壓緊，使葉片周向保持固定。

圖2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)三維建模

根據(jù)以上分析可知，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)由三部分組成，以下分別對(duì)其進(jìn)行簡單闡述。限于篇幅，各關(guān)鍵部件的受力分析在此省略。

2.1 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

對(duì)于軸承的選擇，綜合考慮主基座相貫圓尺寸及法蘭1 結(jié)構(gòu)，初選回轉(zhuǎn)支承013.60.2240 JB/T 2300。在疲勞加載試驗(yàn)中，試驗(yàn)載荷由法蘭2 與基座的兩圈螺栓承受；當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，法蘭1 與基座連接螺栓承受葉片自重產(chǎn)生的徑向力和彎矩。

因此，該螺栓組受橫向力和傾覆力矩計(jì)算為

2.2 鎖緊結(jié)構(gòu)

鎖緊結(jié)構(gòu)主要由液壓缸和楔塊組成，液壓缸缸筒內(nèi)徑為100 mm，油壓采用20 MPa，則液壓缸活塞桿可以達(dá)到的推力為

根據(jù)法蘭3 和法蘭2 結(jié)構(gòu)尺寸，選擇液壓缸行程為100 mm。

風(fēng)機(jī)葉片完成旋轉(zhuǎn)后，用楔塊將法蘭3 與法蘭1頂緊，消除法蘭3 與法蘭2 之間間隙，從而實(shí)現(xiàn)法蘭3周向和軸向固定。

擬采用8個(gè)液壓缸- 楔塊裝置，均布于法蘭2圓周，取楔塊角度α=3°，材料為40 Cr。

2.3 動(dòng)力部件

液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩叟T=2.61 kN·m，設(shè)大齒輪轉(zhuǎn)速為0.1 r/min，即葉片10 min 轉(zhuǎn)1 圈，

則小齒輪轉(zhuǎn)速為

需選用低轉(zhuǎn)速大扭矩馬達(dá)。

本文選用寧波恒通液壓馬達(dá)有限公司的內(nèi)曲線多作用徑向柱塞式馬達(dá)HMB4-800，，伸出軸選用標(biāo)準(zhǔn)外花鍵。

3 關(guān)鍵部件有限元分析

根據(jù)實(shí)際情況分析可知，該法蘭受力情況為楔塊通過法蘭3 傳遞給法蘭1 的壓力，計(jì)算得法蘭受到的軸向力為

F=n(FN·cosα-Fa)=8×(2 996-2 906)=720 kN

綜上所述，該法蘭完全滿足風(fēng)機(jī)葉片疲勞加載試驗(yàn)要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套具有自動(dòng)功能的兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)葉片疲勞加載試驗(yàn)支座?？紤]到降低試驗(yàn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，在現(xiàn)有的疲勞加載支座之上，設(shè)計(jì)一套旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將其與回轉(zhuǎn)支承互相配合，實(shí)現(xiàn)了葉片任何角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了試驗(yàn)的自動(dòng)化程度，縮短了試驗(yàn)周期。最后，有限元分析軟件，證明了該裝置具有進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)的能力

[1]陳 進(jìn)，王旭東，沈文忠，等.風(fēng)力機(jī)葉片的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（3）：131-134.