風力機疲勞載荷譜的編制方法研究

新疆農業(yè)大學機械交通學院 ■ 岳勇

北京三力新能科技有限公司 ■ 崔新維 吳安

一 引言

風力機是典型的疲勞關鍵機械產品[1]。風力機所承受的外部載荷主要是隨時間變化的動態(tài)隨機載荷，在這種載荷的作用下，風力機的許多零部件都會產生動應力，引起疲勞損傷[2]。為了提高風力機工作的可靠性和安全性，在對風力機機械零部件進行設計時，都要考慮其零部件的疲勞強度[3、4]。由于所受疲勞載荷具有時變性、周期性和隨機性，使確定作用在零部件上的隨機疲勞載荷變得及其復雜。因此，準確計算與分析隨機疲勞載荷，編制合適的疲勞載荷譜，是風力機零部件結構壽命的關鍵步驟；疲勞壽命分析及實驗結果的準確性在很大程度上也取決于其疲勞載荷譜[5]。

二 載荷工況的劃分

如前所述，風力機所承受的外部載荷主要是隨時間變化的動態(tài)隨機載荷。因此編制一個能反映風力機全壽命周期的疲勞載荷譜是相當困難的。由于風力機在某種工況下工作時，其疲勞載荷相對其他工況而言變化很小，因此可認為是不變的。在風力機正常工作時，影響風力機所受載荷的主要因素為風頻分布，故可按風頻來進行工況的劃分。風速為隨機變量，可根據風電場年平均風速分布來確定某風工況在一年中出現的頻次。風速目前一般采用Weibull分布函數來描述風速分布情況[7]。Weibull分布函數用尺度參數C和形狀參數K來表征，其風速概率密度函數和累積分布函數分別為：

把整個工作風速分成若干段，則某一風速段的全年累計小時數為：

其中，莆 縊僨 慰磯齲 撲闃幸話閎∑=2，C=9.2m/s，K=2.0。

三 載荷－時間歷程及其統(tǒng)計特性

目前，在確定風力機中主要零部件的疲勞載荷時主要有實測分析法、仿真分析法及估算法3種方法。

實測分析法是從已測得的時間載荷歷程中分析出疲勞載荷用于疲勞壽命分析，此法適用于已有風力機樣機進行疲勞驗證階段。仿真法是利用專業(yè)軟件(如bladed、FlexⅣ等)，根據所設計的具體要求設置相關參數，如機組的幾何尺寸、運動參數、風速、空氣密度等，模擬計算出疲勞載荷。估算法是利用概率模型從短載荷歷程精確地估算長期設計載荷，該概率模型根據給定條件來選取，確定短期分布模型的控制參數與輸入條件之間的關系，結合輸入條件來估算長期設計載荷的分布，確定所估計長期載荷分布的不確定性，應用不確定性給出在具體置信水平下的載荷[8]。

從上面分析可知，不管是采用實測法、仿真法還是估算法，直接得到的是零部件單工況下所受的載荷隨時間變化的情況，即載荷－時間歷程。根據IEC 61400-1標準，假設風速10min不變，在實際計算中，一般得到的是各種工況下10min內所受載荷。圖1為某風力機在風速14～15m/s下塔頂坐標系中的載荷－時間歷程[6]。

圖1 載荷－時間歷程

在對零部件進行疲勞壽命分析時，必須將載荷－時間歷程轉化為應力－時間歷程。由于載荷－時間歷程的隨機性導致應力－時間歷程也必然是一個隨機過程。對這種隨機載荷或隨機應力只能使用統(tǒng)計方法進行描述，常用的統(tǒng)計分析方法主要有計數法和功率譜法等。由于對疲勞強度和疲勞可靠性設計而言，最主要的是幅值的變化，因為應力(或應變)幅值是累積疲勞損傷中的主要因素，因而常用雨流法等計數法進行分析。

四 載荷的循環(huán)計數統(tǒng)計方法

1載荷循環(huán)計數統(tǒng)計方法的選擇

計數法是一種數理統(tǒng)計分析方法，它將不規(guī)則隨機載荷時間歷程簡化為一系列的全循環(huán)或半循環(huán)的過程。計數法的種類很多，疲勞壽命估算和疲勞試驗結果的可靠性在很大程度上取決于載荷譜，但載荷譜的編制又與所采用的計數法有關。目前，國內外已發(fā)展的計數法有十余種。從統(tǒng)計觀點上看，計數法大體可分為單參數法和雙參數法兩類。所謂單參數是只考慮載荷循環(huán)中的一個變量，如變程(相鄰的峰值與谷值之差)；而雙參數法則同時考慮兩個變量，即載荷幅值和載荷均值。由于疲勞載荷本身固有的特性，對任一載荷循環(huán)，總需兩個參數來表示。只考慮某一參數一般不足以描繪載荷循環(huán)特性，可見單參數法有較大的缺陷。近代發(fā)展的有以雙參數法為基礎的雨流計數法，該法較為先進，且在計數原則上有一定的力學依據，因此本文采用此法進行疲勞載荷處理。

2雨流計數法

雨流計數法也叫塔頂法，最初是由Matsuiski和Endo等人考慮了材料應力－應變行為而提出的一種計數方法[9]。該法把應力統(tǒng)計分析的遲滯回線和疲勞損傷理論結合起來，應力－時間歷程的每一部分都參與計數，且只計數一次。

如圖2所示的某一應變－時間歷程，其對應的循環(huán)應力－應變曲線如圖3所示。由圖3可見兩個小循環(huán)2—3—2'、5—6—5'和一個大循環(huán)1－4－7分別構成兩個小的和一個大的遲滯回線。如果疲勞損傷以此為標志，并且假定一個大變程所產生的損傷不受為完成一個小的遲滯回線而截斷的影響，則可逐次將構成較小遲滯回線的較小循環(huán)從整個應變－時間歷程中提取出來重新加以組合，這樣處理后，圖2的應變－時間歷程將簡化為圖4的形式，認為兩者對構件引起的疲勞損傷是等效的[10]。

圖2 應變—時間歷程

圖3 循環(huán)應力－應變曲線

雨流計數法就是基于上述原理進行計數的。如圖5所示，取時間為縱坐標，垂直向下；橫坐標表示載荷或應力。其計數規(guī)則為：(1) 雨流的起點依次在每個峰(或谷)的內側；(2) 雨流在下一個峰(或谷)處落下，直到有一個比其更大的峰(或更小的谷)為止；(3) 當雨流遇到來自上面屋頂流下的雨流時，就停止；(4) 取出所有的全循環(huán)，并記錄下各自的峰值和谷值。

圖5 雨流計數法

圖5中，第一個雨流自0點處第一個谷的內側流下，從1點落至1'后流至5，然后下落。第二個雨流從峰1點內側流至2點落下，由于1點的峰值低于5點的峰值，故停止。第三個雨流從谷2點的內側流到3，自3落下至3'，流到1'處碰到上面屋頂流下的雨流而停止。依次類推，可得到如下計數結果：

全循環(huán)7個：3—4—3'、1—2—1'、6—7—6'、8—9—8'、11—12—11'、13—14—13'和12—15—12'。

五 全壽命周期疲勞載荷譜的編制

由于風速的隨機性，編制一個能反映風力機全壽命周期的疲勞載荷譜塊是相當困難的。因為即使是同一風力機，在不同的風場工作，由于風頻分布的不同，壽命周期內其所受疲勞載荷也是不同的。因此，按工況編制疲勞載荷譜更能反映風力機的受載情況。因此，風力機機械零部件疲勞載荷譜的主要編制方法和過程如下：

(1) 根據其工作條件，如風頻分布等，確定合適的載荷工況；(2) 對各種工況進行統(tǒng)計處理，得到各種工況下的載荷或應力10min內的累積概率分布；(3) 結合工況分布，可得到全壽命周期的風力機零部件的疲勞載荷譜。

根據上述原理，可對圖1中載荷－時間歷程進行循環(huán)次數統(tǒng)計并進行載荷譜的編制，結果如圖6所示。

圖6 疲勞載荷譜

六 結論

(1) 由于風力機工作環(huán)境的特殊性，采用傳統(tǒng)的編制反映全壽命周期的疲勞載荷譜不現實，根據載荷工況編制載荷譜，可使復雜問題簡單化。

(2) 根據載荷工況編制的疲勞載荷譜，其精度與載荷工況的分類有很大關系，因此采用此種方法對載荷工況的正確分類要求高，顯然載荷工況分得越細，載荷譜精度越高。

(3) 利用此方法編制的疲勞載荷譜對某 風力機進行抗疲勞設計后，在小草湖風區(qū)運行5年，未出現任何故障，證明該利用工況編制疲勞載荷譜的方法既可用于風力機疲勞壽命預估，也可用于風力機結構件的結構疲勞設計。

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