風力機葉片連接部位疲勞試驗系統的綜述

黃興

(重慶交通大學，重慶400074)

1 風力發電機發展現狀

能源是提高人民生活水平的基本條件，也是經濟發展的必要條件。經濟社會在持續發展，能源消耗持續增大，對環境的污染也越來越嚴重，傳統獲得能源的方式如煤電，火電等已不符合現代可持續發展的要求，不可再生能源也日趨殆盡，當供求關系出現傾斜，勢必需要新的發電方式來取代傳統的能源發電，風能發電逐漸走向大眾視野，可再生能源的開發利用得到人們廣泛重視，新能源的開發和利用已成為當務之急，風力發電技術應運而生，在新能源發電方式中，將會起到舉足輕重的作用。

2 葉片連接部位存在疲勞

風力發電機組是主要以下部分構成：即電器系統、傳動系統、儲能設備、塔架，葉片等組成。是一種把風能轉化為動能，動能再轉化為電能的裝置。作為風力發電機組最為重要的核心部件，葉片的質量和疲勞壽命決定了風力發電機組的耐久性和安全性，其成本約占整個風力機系統總成本的20～30%。玻璃纖維增強塑料（玻璃鋼）是大型風力機最普遍使用的符合材料，其以低廉的價格和良好的性能成為了現代風力機葉片的主流。葉片與轉子輪轂之間連接是通過變槳軸承和連接螺栓進行可靠連接的，由于發電機組葉片在運轉過程中承受的氣動力、重力及離心力等各種荷載，各種交變應力都直接作用于連接螺栓上，造成螺栓連接部位常處于疲勞狀態 為了保證風力機運行服役時不至突然造成螺栓的斷裂，進行疲勞壽命分析和預估是極其必要的，因此葉根連接必須具有良好的疲勞壽命和機械性能,能承受時刻變化的隨機荷載和突發載荷的沖擊。荷載作用于葉片，通過葉根傳遞至風機輪轂，葉片葉根在交變荷載作用下產生疲勞破壞。據研究統計表明，在不考慮其他次要因素的條件下，風機的使用壽命很大程度上取決于葉片葉根的疲勞壽命。

為研究風力發電機葉片連接部位的疲勞壽命，建立葉片定型認證試驗環節中疲勞試驗模型。在試件與作動器一起所構成的結構動態試驗系統中，研究試驗系統的動力學特性，在已知風力發電機葉片葉根多種荷載工況的彎矩值的基礎上，利用Matlab 軟件編寫雨流法程序。得到多種荷載工況所組合的Marcov 矩陣。此時的矩陣是彎矩值，通過查閱相關資料與規范計算出葉根的等效載荷以及應力值。將整體試驗系統模型導入后ANSYS 后，借助有限元程序處理約束和接觸條件，分析試驗系統模態，進行諧響應分析，施加不同大小的預緊力，試驗系統不共振的前提下，得到最佳預緊力。

3 風力機葉片連接部位疲勞試驗系統動力學模型

3.1 疲勞試驗系統的總體結構

圖1 工裝總體結構連接示意圖

風力發電機葉片連接部位疲勞試驗系統可分為上中下三部分，上部分由橫梁，橫梁連接螺栓，MTS 機作動頭組成；中部由法蘭傳感器，試件（1/92 的葉根模型）組成，下部由金屬夾板、連接螺栓、基座連接構件、底座、地腳螺栓、基座底板組成。各個部位連接螺栓預緊力大小對疲勞試驗結果影響較大，為保試驗能安全有效進行，試驗系統總共存在四處預緊力，分別是上部橫梁處連接螺栓，中部著重頭處連接螺栓，下部基座連接構件處螺栓和基座底板處連接螺栓，這些有預緊力處的連接螺栓控制著整個試驗系統的安全性和穩定性，也影響試驗結果的精確性和可靠性，不同大小的螺栓預緊力，其軸向力也不同，在激勵頻率的的作用下，可能會松動，也可能會屈服斷裂，故試驗過程中不可忽略預緊力的影響。

3.2 關于地腳螺栓連接部位的理論建模

根據螺栓結合部的動力學建模及其動態特性的研究基礎，剛性連接bonded 明顯不符合實際情況。所以不能利用綁定約束處理地腳螺栓的結合部位。

本文采用彈簧單元理論建模，根據等效圓周直徑理論，將螺栓連接部位視作由4 組彈簧單元組成，每個彈簧單元可以看做是一個法向的剛度單元，以及兩個切向的剛度單元。依據赫茲接觸接觸理論可知，，結合面法向剛度可表示為

3.3 葉片疲勞試驗系統動力學分析

根據疲勞試驗系統中某些螺栓相對整個試驗系統而言，其質量相對試驗系統來說可以忽略不計，故可以簡化為一集中質量的彈性元件，即質量- 彈簧系統，某些夾具和連接件也可以做簡化處理。結合動力學理論，根據牛頓定律建立了振動系統的微分方程，推導出頻率的相關公式，與有限元仿真分析結果進行分析對比，確定各螺栓連接處的預緊力大小。

4 仿真分析

4.1 試驗系統的模態分析

為了獲取試驗系統的固有頻率，振型、阻尼比等模態參數，需要使用有模態分析功能板塊的有限元軟件ANSYS，其強大的有限單元思想和數學計算能力，易得到試驗系統結構的相關固有頻率和振型，條件允許也可以通過測試得到模態質量、振型，固有頻率等。模態分析是測得結構或試驗系統固有特性的主要方法，在進行其他動力分析前，結構的固有特性和振型對在其他各種動力荷載作用時分析時不可忽略。也為結構設計時為避免共振和按一特定頻率振動提供動力學參數。組成模態分析的七種方法是分別是block Lanczos 法、PowerDynamics 法、子空間法、縮減法、阻尼法、不對稱法等。就本疲勞試驗系統而言，一般采用第一種Block Lanczos 法。模態分析的實際使用方面：（1）對結構和系統進行故障診斷和預測等（2）對不確定的結構設計，可以分析得到結構或系統的固有特性估計值和優化設計；（3）評價結構或系統的動態特性；（4）機械結構載荷的識別；（5）控制實際運行時產生為危害噪音等。

4.2 試驗系統的諧響應分析

諧響應分析是用于確定線性結構在承受隨時間按正弦顧慮變化的載荷時的穩態響應的一種技術。分析的目的是計算出結構在幾種頻率下的響應，并得到一些響應值（通常是位移）對頻率得曲線。從這些曲線上可以找到“峰值”響應，并進一步觀察值頻率對應的應力。設計人員依據諧響應分析結果，從而能夠預測結構的持續動力學特性，一般數來，諧響應分由3 種方法組成：縮減法、完全法、以及模態疊加法。試驗系統擬采用完全法進行諧響應的分析。諧響應分析的目的：在幾種頻率下的響應，并得到一些響應值對頻率得曲線測共振響應，并在必要時避免其發生(例如：借助于阻尼器來避免共振)。

5 試驗系統動態特性影響因素的研究

由于試驗系統在進行疲勞試驗，為保證試驗安全可靠的進行，會綜合考慮多種影響系統動態特性的因素，與工況有關的因素，其中影響因素最大的是上文提及的螺栓結合面的法向面壓，就是地腳螺栓預緊力的大小，除此之外，還有振動頻率，結合面介質等。與結構有關的因素，如結合部的類型，尺寸，形狀等；與結合部固有特性的因素，如材質，熱處理方法，表面粗糙度等。還有諸如螺栓底板的安裝位置，螺栓數量等都會影響整體疲勞試驗系統的動力學特性。故研究分析時不能忽略這些因素的影響，以找到更適合本試驗系統的動力學參數。

6 研究意義

進行試件葉片安裝前，首先就要對結構動態試驗系統工裝的安裝的合理性和安全性考慮，試驗工裝多處存在預緊力，試驗前不對模型進行恰當的模擬分析，不僅會影響疲勞試驗最后結果，而且可能會引發安全事故。工裝螺栓預緊力過大，使得螺栓拉應力超過屈服極限，造成螺栓突然斷裂；預緊力過小，則使螺栓連接部位容易松動，達不到緊固連接目的，整個試驗系統還會出現橫向擺動。由于螺栓預緊力大小決定試驗系統的固有頻率和激振頻率接近或遠離，而試件葉片葉根達到共振時，會對整個試驗系統的產生劇烈的影響，嚴重時還會發生安全事故。所以在風發電機葉片連接部位的疲勞試驗中，研究螺栓預緊力對疲勞試驗系統的影響，具有重要的意義。