風(fēng)電葉片疲勞試驗(yàn)兩點(diǎn)激振耦合特性分析*

孔令科，袁光明，李金亮，張磊安

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.淄博職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引言

風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)使用壽命長(zhǎng)達(dá)20年，葉片多使用玻璃纖維等復(fù)合材料制造，而復(fù)合材料不同于金屬材料，在葉片制造過(guò)程中易受外界環(huán)境影響，理論設(shè)計(jì)的疲勞性能與實(shí)際的疲勞性能會(huì)存在一定的差異，因此，疲勞試驗(yàn)是檢驗(yàn)葉片壽命和性能最有效的方法[1,2]。

目前，國(guó)內(nèi)葉片疲勞試驗(yàn)普遍使用單點(diǎn)激振多點(diǎn)配重的方法，此方法存在只能確保部分葉片截面的試驗(yàn)載荷與設(shè)計(jì)載荷相近的問(wèn)題，且伴隨著葉片長(zhǎng)度的增加該問(wèn)題會(huì)更加突出[3]。考慮到行業(yè)內(nèi)對(duì)風(fēng)電葉片兩點(diǎn)激振疲勞試驗(yàn)方法的需求日益迫切，而基于葉片連接的兩激振器振動(dòng)是一個(gè)非線性強(qiáng)耦合的過(guò)程，使兩激振器的相位具有趨于零值或某個(gè)值附近的現(xiàn)象[4,5]。因此，本文搭建了風(fēng)電葉片兩點(diǎn)激振試驗(yàn)平臺(tái)和控制系統(tǒng)，研究耦合效應(yīng)影響下激振器的相位變化規(guī)律和葉片振動(dòng)特性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

風(fēng)電葉片兩點(diǎn)激振疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，葉片通過(guò)高強(qiáng)度螺栓固定在基座上，在葉片相應(yīng)位置上安裝有兩臺(tái)激振器，每臺(tái)激振器激振頻率通過(guò)對(duì)應(yīng)的變頻器調(diào)節(jié)，當(dāng)激振頻率接近葉片固有頻率時(shí)，葉片在激振器安裝方向振動(dòng)，通過(guò)激光測(cè)距儀測(cè)量葉片振幅的變化。

圖1 風(fēng)電葉片兩點(diǎn)激振疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)

激振器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由電機(jī)、減速器、擺臂、夾具和偏心質(zhì)量塊組成。激振器通過(guò)夾具安裝在葉片上，激振器的動(dòng)力源為異步電機(jī)，通過(guò)控制擺臂旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力。

圖2 激振器結(jié)構(gòu)

2 相位檢測(cè)方法

圖3為激振器轉(zhuǎn)速和相位測(cè)量方案，利用磁柵傳感器采集高速脈沖信號(hào)用于計(jì)算激振器擺臂的轉(zhuǎn)速和相位。偏心質(zhì)量塊每旋轉(zhuǎn)一周觸發(fā)一次限位開關(guān)，利用限位開關(guān)觸發(fā)產(chǎn)生的高電平信號(hào)對(duì)當(dāng)前360°旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的脈沖數(shù)進(jìn)行清零；并且將相位差分成[-180°,0°)和(0°,180°]兩個(gè)區(qū)間分別表示激振器1相位滯后激振器2相位和激振器1相位超前激振器2相位。

圖3 激振器轉(zhuǎn)速和相位測(cè)量方案

3 試驗(yàn)設(shè)備

以68 m長(zhǎng)的某型號(hào)葉片試驗(yàn)分析兩點(diǎn)激振過(guò)程中耦合效應(yīng)對(duì)疲勞試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，相關(guān)設(shè)備型號(hào)如表2所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

表2 相關(guān)設(shè)備型號(hào)

4 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置兩臺(tái)變頻器中控制電機(jī)的參數(shù)一致。兩激振器擺臂自然下垂，初始相位差為零，兩激振器設(shè)定相同的激振頻率且同時(shí)啟動(dòng)。得到的兩激振器的相位差曲線如圖4所示，葉片振幅曲線如圖5所示。

由圖4可知：耦合效應(yīng)存在于葉片兩點(diǎn)慣性激振疲勞試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)中，可使兩激振器的相位差維持在零值附近，但存在較大的誤差值，且耦合效應(yīng)的存在使兩激振器互相擾動(dòng)，進(jìn)而使激振頻率發(fā)生波動(dòng)。

圖4 兩激振器的相位差曲線

由圖5可知：此時(shí)葉片振幅紊亂，不滿足葉片疲勞試驗(yàn)的等幅振動(dòng)要求。

圖5 葉片振幅曲線

以上試驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，葉片兩點(diǎn)激振試驗(yàn)設(shè)備電氣特性難免存在差異，以及外界自然環(huán)境的變化，均使得耦合效應(yīng)對(duì)兩激振器的同步及激振頻率的穩(wěn)定控制產(chǎn)生擾動(dòng)，嚴(yán)重影響兩激振器與葉片達(dá)到共振狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

為應(yīng)對(duì)大規(guī)格風(fēng)電葉片疲勞試驗(yàn)的發(fā)展需求，兩點(diǎn)激振疲勞試驗(yàn)方法開發(fā)應(yīng)用日益迫切。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證耦合效應(yīng)的存在并分析其對(duì)兩激振器相位的影響規(guī)律，是控制同步方案制定的重要前提。本文開發(fā)的控制系統(tǒng)也為葉片兩點(diǎn)激振疲勞試驗(yàn)的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。