葉片材料試驗裝置的立項研究

馬瑞

摘要：本文主要介紹用于風電葉片葉片材料試驗裝置立項依據、研究內容、研究試驗方法、技術路線、技術參數及系統參數仿真驗證計算，并結合公司實際軟硬件情況提出立項研究的可行性及良好的市場前景。

Abstract： This paper mainly introduces the project basis， research content， research and test method， technical route， technical parameter and the system parameter simulation verification calculation of leaf material of wind power blades and puts forward the feasibility and good market prospects of the project research based on the actual hardware and software of the company.

關鍵詞：葉片材料；疲勞測試；仿真驗證計算；可再生能源

Key words： leaf material；fatigue test；simulation verification calculation；renewable energy

中圖分類號：TK263.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0135-03

0 引言

據統計：隨著我國風能市場的擴大，風機制造業逐漸進入高速發展期。國內外眾多制造企業開始進入我國風能市場。其中葉片是風力發電機的核心部件。由于陸上或海上風場的氣候條件惡劣，監測和維護困難，對外界溫度、葉片裂紋、雷擊等對葉片損傷的早期預警顯得十分重要。葉片必須經受住極端載荷和彎曲，可以承受20年中等強度的磨損和彎曲。對此，葉片制造完成后的型式試驗非常重要，而其中疲勞測試和加載測試就成為該環節關注的重中之重。

相關測試設備隨著最近幾年全球新能源發展浪潮開始逐步發展。目前國外測試設備一次性疲勞測試最高振動頻率在最大振幅時為1Hz，連續測試20萬到50萬次，振幅在±100mm以內，疲勞測試載荷在20kN以內。由于我國在該環節起步晚、初期葉片追求量產和相關行業標準的缺失，目前還沒有相關特種測試設備。

本項目研究的目的和積極意義一在于提高自主研發水平，不受制于人，提升高端設備自主品牌形象；二在于超越國外同類測試設備，做到人有我優；三在于提高風電葉片質量，做到問題的早測試、早發現、早解決。

1 具體研究內容

一是用于測試葉片材料的抗疲勞強度：測試在以平衡位置為原點，試件進行最大振幅為±300mm的疲勞測試，控制系統允許振幅在0至±300mm范圍內對稱連續調整。疲勞試驗時的最高振動頻率在最大振幅時為1Hz。這即意味著在1秒內完成1200mm的行程，完成兩次運動方向的轉換。這種運動方式需連續運行100萬次，也即連續工作11.6天。這對系統各個元件都是一個考驗，對液壓系統、電控系統乃至機械結構都提出了較高要求。某種意義上也是對整個設備各環節做疲勞測試。

二是靜載荷測試，這個從本質上說就是材料的破壞性試驗，相對疲勞試驗從技術上要簡單一點。

2 關鍵技術問題

①要克服了振幅為±300mm下的疲勞測試，這在國外類似設備上是沒有的，國外一般在±100mm以內。國內其它行業的疲勞測試設備一般行程都在幾十毫米以內，20萬次的疲勞測試。在頻率1Hz下實現如此行程也即意味著一秒內進行單行程1200mm、連續100萬次折合為12天的考驗。這對液壓系統元件、機械部件、裝機水平都是一個疲勞測試的過程。任何環節出現問題都意味著目標的不能實現。②系統發熱問題，由于系統的頻率要求，必須采用伺服系統，伺服系統在液壓行業是最尖端的。同時伺服系統的發熱情況也是比較嚴重。解決系統發熱問題是系統原理設計環節的難點。③實現供液壓力的穩定及在保證系統所需最大流量的前提下降低泵的排量，即泵供給油缸疲勞試驗時的一定流量，在部分區域的峰值流量由蓄能器供給。常規伺服系統中往往用蓄能器用作吸收震動和沖擊，也鮮有用于系統補油。這對整機調試產生何種影響，都需要前期對其最系統仿真。但實際情況和仿真有多大區別，都是未定之數。④試驗臺裝置在減少焊接量，多采用拼裝設計上有較大突破，這樣盡量避免焊接變形、適用不同測試件規格尺寸便于調整等方面有所創新。但相關連接件的疲勞性能如何還需要認真計算和選型。⑤設備對智能化程度要求比國外設備有較大提高。擬采用觸摸屏、打印機及高速攝像機等電氣元件，使得該設備成為集機電液一體，智能化程度較高的大型設備。

3 技術方向

通過“風電葉片材料性能測試試驗裝置的研發”課題的研究，掌握葉片在自然環境下的疲勞破壞和加載下的破壞情況。

①設備能按照如上技術參數進行靜載和疲勞試驗：②本體結構如圖1：采用全框架緊固件連接方式。③液壓系統：液壓系統是一個閉環控制的伺服系統。主要由以下部分構成：1）動力部分：恒壓變量泵及蓄能器，實現供液壓力的穩定及在保證系統所需最大流量的前提下降低泵的排量，即泵供給油缸疲勞試驗時的平均流量，在峰值流量時由蓄能器供給。2）控制部分：電液伺服閥，利用該閥的高固有頻率保證系統需要的性能。3）執行部分：帶全程檢測位移傳感器的伺服油缸，且為雙活塞桿結構。4）反饋部分：由位移傳感器和PLC可編程控制器組合完成。5）安全保護：液壓部分的安全保護由溢流閥及恒壓泵的特性實現。6）過濾部分：由高過濾精度的高壓過濾器及中精度的回油過濾器兩部分組成。7）冷卻系統：伺服系統的壓力油工作在伺服閥口節流狀態，發熱較大，系統配有一管式冷卻器，以確保系統連續工作。8）此外在油缸的兩腔備有壓力傳感器的接口，以輸出油缸的推、拉力數據（PLC可編程上可輸出油缸位移量數據）。系統在進行兩種試驗時采用不同的液壓壓力，由恒壓泵的變量點控制進行調整。

④系統參數仿真驗證計算。

利用AMESIM軟件建立整個系統的仿真模型，如圖2-圖5所示。

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4 結束語

利用現有單位平臺在產品設計中采用Solid Works三維軟件，在電腦上模擬機構運動過程，檢查機構有無干涉，檢驗設計設想的運動要求。ANSYS有限元分析軟件對設計圖紙中的零件和機構的強度，剛性進行了力學分析，并編制工藝指導文件。

本項目屬于可再生能源范疇，是國家重點支持與鼓勵產業，對環境無影響。

由于風電行業的迅猛發展，行業內部魚龍混珠，作為風電核心部件的葉片質量成為各方矚目的焦點，國家也正在制定葉片制作和測試的技術標準，以便規范產品質量。這樣葉片材料的技術參數測試成為該產品未來不可或缺的要素。該設備預期有較好的市場前景和市場適用性。

參考文獻：

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[2]李恩光.機電伺服控制技術[M].東華大學出版社，2003.

[3]李永利.疲勞試驗測試分析理論與實踐[M].國防工業出版社，2011.