一种模拟大功率级风机五自由度载荷的加载装置的制作方法

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种模拟大功率级风机五自由度载荷的加载装置。

背景技术：

风能作为一种新兴的可再生绿色能源，具有可观的储量和清洁可再生性，对其开发利用是解决能源危机的重要途径之一。由于风力发电机一般安装在气候恶劣的高山，荒郊和海上，风机传动链需要长期承受不稳定的风速和风向所造成的载荷，并由此导致齿轮箱齿轮损伤、主轴轴承失效等故障。这些问题严重影响机组的寿命，并加大风机的维护维修成本。因而建设能够完整模拟风机运行工况的大型多自由度载荷加载装置，可为提高风机可靠性、改善风机受力的相关设计提供参考，具有重要意义。

目前，国内大多数的模拟风机载荷装置都仅限于模拟M_x方向的扭矩载荷，无法全面模拟风机的全面受载情况。公告号为CN102636367B发明专利给出了一种模拟风机多自由度载荷的加载装置，能有效地模拟风机的全面受载情况。但针对大功率级的风机，其所受的载荷都比较大，若是根据该发明专利（CN 102636367 B）所给的方案，需要专门定制大型加载缸，对应的液压系统也要做相应调整，如需采用大流量比例阀并增加泵站的液压泵数量，这将增加加载装置制作成本，而且，大型加载缸将导致系统的响应变慢，系统的动态性能变差。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种模拟大功率级风机五自由度载荷的加载装置，无需采用大型加载缸以及与大型加载缸配合的液压系统，避免了制作成本增加、使系统响应变慢、使系统动态性能变差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种模拟大功率级风机五自由度载荷的加载装置，包括加载盘，所述加载盘内通过轴承可转动地穿套有主轴，所述加载盘的左侧面沿轴向施加有左端轴向加载缸组，加载盘的右侧面沿轴向施加有右端轴向加载缸组，加载盘的外环面沿径向施加有径向加载缸组，所述左端轴向加载缸组、右端轴向加载缸组、径向加载缸组对应由分布在加载盘的左侧面、右侧面、外环面的等间隔周向布置的多个点位的液压缸阵列构成，每个点位布置有一个液压缸阵列，每个液压缸阵列由N2的N个加载缸构成，其包括一个由电液比例换向阀控制的加载缸和N-1个分别由普通开关换向阀控制的加载缸，定义每个加载缸最大输出加载力为F_a，由电液比例换向阀控制的加载缸的加载力为F₀，每个由普通开关换向阀控制的加载缸的加载力为F_i，则，，于是每个点位的液压缸阵列的输出总加载力为，根据实际情况通过计算机控制系统控制所述电液比例换向阀的开度和N-1个普通开关换向阀的加载接入数目，便可在每个点位得到范围内的任意加载力；

每个点位的液压缸阵列的所有加载缸的前端共同连接一球面加载块，通过球面加载块对位于加载盘上的球面承载台施加载荷。

通过计算机控制系统控制液压加载回路的电液比例换向阀的开度和N-1个普通开关换向阀的加载接入数目以控制左端轴向加载缸、右端轴向加载缸、径向加载缸的加载力，同时加载力传递给加载盘，进而通过轴承将加载力传递到主轴上，通过各加载力的组合完成风机五自由度载荷F_x，F_y，F_z，M_y，M_z的加载。

作为优选，所述加载盘的左侧面、右侧面、外环面均沿周向等间隔布置有八个点位，每个点位的液压缸阵列的N个加载缸绕各自点位中心沿周向等间隔布置。

进一步地，所述加载装置还包括与所述外壳体固接的固定架，固定架内设有N个供导力块滑行的滑槽，导力块的后端开设容纳弹簧的凹槽，弹簧的前端与导力块相抵，弹簧的后端与加载缸的活塞杆相抵，固定架内N个滑槽的位置与N个加载缸对应，各个导力块的前端与所述球面加载块抵触连接；

于是，每个加载缸的活塞杆均通过弹簧和导力块将加载力传递到球面加载块，最后通过球面加载块与球面承载台的配合将液压缸阵列的输出总加载力作用到加载盘上。

进一步地，每个点位的液压加载回路包括给电液比例换向阀控制的加载缸供油的第一液压回路、以及给每个普通开关换向阀控制的加载缸供油的第二液压回路，所述第一液压回路包括油箱、泵、高压过滤器、单向阀、电液比例换向阀、液压锁、加载缸、回油过滤器、温度调节器，所述高压过滤器的出口连接有溢流阀，所述电液比例换向阀的进口和出口连接有限压式定压差进口减压型压力补偿器，所述电液比例换向阀的入口还连接有压力继电器，当油压过高时压力继电器动作使报警系统报警，所述电液比例换向阀为包含加载与卸荷状态的三位四通换向阀，所述加载缸的进油管路连接温度压力传感器，加载缸的加载力通过温度压力传感器检测温度和压力以获得，其检测结果反馈回所述计算机控制系统；

所述第二液压回路包括油箱、泵、高压过滤器、单向阀、普通开关换向阀、液压锁、加载缸回油过滤器，温度调节器，所述普通开关换向阀为包含加载与卸荷状态的三位四通换向阀；

所述液压锁由互为液控连接的两个液控单向阀构成，当电液比例换向阀或普通开关换向阀失电时，液压锁处于两个液控单向阀均锁定状态，可以实现第一液压回路和第二液压回路的保压。

本发明的有益效果在于：1、本发明一种模拟大功率级风机五自由度载荷的加载装置，可以全面、准确、快速地模拟大功率风机的受载情况，由于每个点位采用多个液压缸替代原本的大型加载缸，可避免专门制造大型加载缸以及配合的液压系统所带来的成本增加的问题，并且不会使系统响应变慢以及使系统动态性能变差；

2、本发明一种模拟大功率级风机五自由度载荷的加载装置的每个点位的液压缸阵列，通过仅使用一个电液比例换向阀和需要数目的普通开关换向阀便可以使液压缸阵列的总输出加载力在一个大范围内连续变化，可减少电液比例换向阀的使用数量，降低制造成本。

附图说明

图1为本发明的风机六自由度载荷的坐标图。

图2为驱动机构、五自由度载荷加载装置、风机的总体连接结构图。

图3为本发明一种模拟大功率级风机五自由度载荷的加载装置实施例的沿主轴轴向的剖视图。

图4为图3中沿主轴横截面的剖视图。

图5为本发明实施例的加载盘每个点位的液压缸阵列的加载结构图。

图6为本发明实施例的加载盘每个点位的液压加载回路的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不构成对本发明的限制。

相反，本发明涵盖任何依本发明精髓所作的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为使公众对本发明有更好的了解，在下文的实施例中，详尽描述了一些特定的细节部分，这些特定的细节部分并不会限制本发明的保护范围。

参照图1-6：一种模拟大功率级风机五自由度载荷的加载装置，包括位于外壳体内的加载盘2.3，所述加载盘2.3内通过轴承可转动地穿套有主轴2.7，左端轴向加载缸组穿过外壳体沿轴向施加在所述加载盘2.3的左侧面，右端轴向加载缸组穿过外壳体沿轴向施加在加载盘2.3的右侧面，径向加载缸组穿过外壳体沿径向施加在加载盘2.3的外环面，所述左端轴向加载缸组、右端轴向加载缸组、径向加载缸组对应由分布在加载盘2.3的左侧面、右侧面、外环面的等间隔周向布置的八个点位的液压缸阵列2.1构成，每个点位布置有一个液压缸阵列2.1，本实施例中，每个液压缸阵列2.1由N2的N个加载缸5.1构成，此N个加载缸5.1绕各自点位中心沿周向等间隔布置，其包括一个由电液比例换向阀控制的加载缸5.1和N-1个分别由普通开关换向阀控制的加载缸5.1，定义每个加载缸5.1最大输出加载力为F_a，由电液比例换向阀控制的加载缸5.1的加载力为F₀，每个由普通开关换向阀控制的加载缸5.1的加载力为F_i，则，表示区间，，表示集合，代表普通开关换向阀控制的加载缸的加载力只能为0或者，于是每个点位的液压缸阵列2.1的输出总加载力为，根据实际情况通过计算机控制系统控制所述电液比例换向阀的开度和N-1个普通开关换向阀的加载接入数目，便可在每个点位得到范围内的任意加载力。

每个点位的液压缸阵列2.1的所有加载缸5.1的前端连接一球面加载块2.2，加载盘2.3上具有一与该球面加载块2.2配合的球面承载台2.4，每个点位的液压缸阵列2.1通过球面加载块2.2将载荷施加给加载盘2.3上的球面承载台2.4；

通过计算机控制系统控制液压加载回路（包括一个由电液比例换向阀控制的第一液压回路和N-1个分别由普通开关换向阀控制的第二液压回路）的电液比例换向阀的开度和N-1个普通开关换向阀的加载接入数目，以控制左端轴向加载缸、右端轴向加载缸、径向加载缸的加载力，同时加载力传递给加载盘2.3，进而通过轴承将加载力传递到主轴2.7上，通过各加载力的组合完成风机五自由度载荷F_x，F_y，F_z，M_y，M_z的加载。

图1为发明的风机六自由度载荷的坐标图。其中坐标系定义如下：X轴为沿主轴方向，指向顺流方向，Z轴与X轴和Y轴垂直，Y轴与X轴和Z轴垂直，X轴、Y轴、Z轴构成右手坐标系。F_x表示X轴正方向的加载力，F_y表示Y轴正方向的加载力，F_z表示Z轴正方向的加载力，M_y表示倾覆弯矩，M_z表示偏航弯矩，上述构成本发明的五自由度载荷，此外，M_x表示驱动机构带动主轴2.7旋转的力矩。

图2为驱动机构、五自由度载荷加载装置、风机的总体连接结构图。被试件1为加载力作用对象，通过底座固定在地面上。五自由度载荷加载装置2通过左端轴向加载缸组、左端轴向加载缸组、径向加载缸组对加载盘施加载荷，进而通过主轴对被试件1施加载荷，各加载力组合完成对被试件五个自由度载荷F_x，F_y，F_z，M_y，M_z的加载；驱动机构4通过联轴器3对被试件1施加M_x载荷，以驱动主轴旋转。

图3为五自由度载荷加载装置的结构图。所述外壳体包括由螺栓固定连接的左壳体2.6和右壳体2.8，所述外壳体的下端固接支撑架2.5，固定连接在外壳体上的加载缸5.1对加载盘2.3施加载荷，进而通过加载盘2.3和主轴2.7之间连接的轴承2. 9主轴2.7施加载荷。外壳体用于支持固定每个点位的加载缸5.1。

本实施例中，所述加载盘2.3和主轴2.7之间的所连接的轴承2.9为可承受轴向推力的推力轴承。

图5为加载盘每个点位的液压缸阵列的加载结构图。五自由度载荷加载装置还包括与所述外壳体通过螺钉2.11固接的固定架2.12，固定架2.12内设有N个供导力块2.13滑行的滑槽，导力块2.13的后端开设容纳弹簧2.10的凹槽，弹簧2.10的前端与导力块2.13相抵，弹簧2.10的后端与加载缸的活塞杆相抵，固定架2.12内N个滑槽的位置与N个加载缸5.1对应，各个导力块2.13的前端共同连接一球面加载块2.2，各个导力块2.13与球面加载块2.2为抵触连接；

于是，每个加载缸5.1的活塞杆均通过弹簧2.9和导力块2.13将加载力传递到球面加载块2.2，最后通过球面加载块2.2与球面承载台2.4的配合将液压缸阵列2.1的输出总加载力作用到加载盘2.3上。弹簧2.10起到缓冲和预加载的作用，球面加载块2.2与球面承载台2.4的配合使得液压缸阵列2.1的加载更加集中，并克服液压缸阵列2.1不同加载缸加载时液压缸阵列2.1的合力作用点到主轴轴线距离的不同。

图6为本发明实施例的加载盘每个点位的液压加载回路的结构图。该图以每个点位的液压缸阵列包含4个加载缸进行说明，这四个加载缸中一个加载缸5.1a由电液比例换向阀控制，其油路为第一液压回路，另外三个加载缸分别由普通开关换向阀控制，其油路为第二液压回路；

所述第一液压回路包括油箱100、泵5.11、高压过滤器5.8、单向阀5.7、电液比例换向阀5.5、液压锁5.3a、加载缸5.1a、回油过滤器5.16、温度调节器5.15，所述高压过滤器5.8的出口连接有溢流阀5.9，所述电液比例换向阀5.5的进口和出口连接有限压式定压差进口减压型压力补偿器5.4，其作用是使进口和出口的压差恒定，以使电液比例换向阀5.5的流量由其开度决定，所述电液比例换向阀5.5的入口还连接有压力继电器5.6，所述电液比例换向阀5.5为三位四通换向阀，该三位四通换向阀的左位对应加载缸的加载，中间位为不接通，右位对应加载缸的卸荷，所述加载缸5.1a的进油管路连接温度压力传感器5.2；

所述第二液压回路包括油箱100、泵5.11、高压过滤器5.8、单向阀5.7、普通开关换向阀（5.17a、5.17b、5.17c）、液压锁（5.3b、5.3c、5.3d）、加载缸（5.1b、5.1c、5.1d）、回油过滤器5.16、温度调节器5.15，所述普通开关换向阀（5.17a、5.17b、5.17c）为三位四通换向阀，该三位四通换向阀的左位对应加载缸的加载，中间位为不接通，右位对应加载缸的卸荷。第一液压回路和第二液压回路中的油箱100、泵5.11、高压过滤器5.8、单向阀5.7、回油过滤器5.16、温度调节器5.15构成二者共同的干路。

所述液压锁（5.3a、5.3b、5.3c、5.3d）由互为液控连接的两个液控单向阀构成，当其中一个液控单向阀进油时，另一个液控单向阀的控制油路得到油液使阀口打开可以回油。

加载时，计算机控制系统通过载荷分解计算获得每个点位的液压缸阵列的加载力，根据加载力的大小控制液压缸阵列的各个加载缸的输出力。启动电机5.14，通过联轴器5.13带动泵5.11，液压油经由吸油过滤器5.12，经过泵5.11加压后经过高压过滤器5.8，单向阀5.7，形成干路供给系统工作液压油。

定义每个加载缸最大输出加载力为F_a，由电液比例换向阀控制的加载缸的加载力为F₀，每个由普通开关换向阀控制的加载缸的加载力为F_i（i=1,2,3），则，，于是每个点位的液压缸阵列的输出总加载力。

当计算机控制系统计算所得的液压缸阵列的加载力时，由电液比例换向阀5.5控制加载缸5.1a单独加载，同时加载缸5.1b、加载缸5.1c和加载缸5.1d卸荷。该工况下，进油路为：吸油过滤器5.12，泵5.11，高压过滤器5.8，单向阀5.7，电液比例换向阀5.5左位，液压锁5.3a左位，加载缸5.1a无杆腔。回油路为：加载缸5.1a有杆腔，液压锁5.3a右位，电液比例换向阀5.5左位，回油过滤器5.16，温度调节器5.15，油箱100。

当计算所得的液压缸阵列的加载力时，由电液比例换向阀5.5控制的加载缸5.1a、普通开关换向阀5.17a控制的加载缸5.1b共同加载，同时加载缸5.1c和加载缸5.1d卸荷。该工况下，进油路为：吸油过滤器5.12，泵5.11，高压过滤器5.8，单向阀5.7，再经由各个支路的进油通道；其中加载缸5.1a支路的进油通道为：电液比例换向阀5.5左位，液压锁5.3a左位，加载缸5.1a无杆腔；其中加载缸5.1b支路的进油通道为：普通开关换向阀5.17a左位，液压锁5.3b左位，加载缸5.1b无杆腔。回油路为：经由各个支路的回油通道汇总，再经过回油过滤器5.16，温度调节器5.15，回到油箱100；其中加载缸5.1a支路的回油通道为：加载缸5.1a有杆腔，液压锁5.3a右位，电液比例换向阀5.5左位；其中加载缸5.1b支路的回油通道为：加载缸5.1b有杆腔，液压锁5.3b右位，普通开关换向阀5.17a左位。

当计算所得的液压缸阵列的加载力时，由电液比例换向阀5.5控制的加载缸5.1a、普通开关换向阀5.17a控制的加载缸5.1b、以及普通开关换向阀5.17b控制的加载缸5.1c共同加载，同时加载缸5.1d卸荷。该工况下，进油路为：吸油过滤器5.12，泵5.11，高压过滤器5.8，单向阀5.7，再经由各个支路的进油通道；其中加载缸5.1a支路的进油通道为：电液比例换向阀5.5左位，液压锁5.3a左位，加载缸5.1a无杆腔；其中加载缸5.1b支路的进油通道为：普通开关换向阀5.17a左位，液压锁5.3b左位，加载缸5.1b无杆腔；其中加载缸5.1c支路的进油通道为：普通开关换向阀5.17b左位，液压锁5.3c左位，加载缸5.1c无杆腔。回油路为：经由各个支路的回油通道汇总，再经过回油过滤器5.16，温度调节器5.15，回到油箱100；其中加载缸5.1a支路的回油通道为：加载缸5.1a有杆腔，液压锁5.3a右位，电液比例换向阀5.5左位；其中加载缸5.1b支路的回油通道为：加载缸5.1b有杆腔，液压锁5.3b右位，普通开关换向阀5.17a左位；其中加载缸5.1c支路的回油通道为：加载缸5.1c有杆腔，液压锁5.3c右位，普通开关换向阀5.17b左位。

当计算所得的液压缸阵列的加载力时，由电液比例换向阀5.5控制的加载缸5.1a、普通开关换向阀5.17a控制的加载缸5.1b、普通开关换向阀5.17b控制的加载缸5.1c、以及普通开关换向阀5.17c控制的加载缸5.1d共同加载。该工况下，进油路为：吸油过滤器5.12，泵5.11，高压过滤器5.8，单向阀5.7，再经由各个支路的进油通道；其中加载缸5.1a支路的进油通道为：电液比例换向阀5.5左位，液压锁5.3a左位，加载缸5.1a无杆腔；其中加载缸5.1b支路的进油通道为：普通开关换向阀5.17a左位，液压锁5.3b左位，加载缸5.1b无杆腔；其中加载缸5.1c支路的进油通道为：普通开关换向阀5.17b左位，液压锁5.3c左位，加载缸5.1c无杆腔；其中加载缸5.1d支路的进油通道为：普通开关换向阀5.17c左位，液压锁5.3d左位，加载缸5.1d无杆腔。回油路为：经由各个支路的回油通道汇总，再经过回油过滤器5.16，温度调节器5.15，回到油箱100；其中加载缸5.1a支路的回油通道为：加载缸5.1a有杆腔，液压锁5.3a右位，电液比例换向阀5.5左位；其中加载缸5.1b支路的回油通道为：加载缸5.1b有杆腔，液压锁5.3b右位，普通开关换向阀5.17a左位；其中加载缸5.1c支路的回油通道为：加载缸5.1c有杆腔，液压锁5.3c右位，普通开关换向阀5.17b左位；其中加载缸5.1d支路的回油通道为：加载缸5.1d有杆腔，液压锁5.3d右位，普通开关换向阀5.17c左位。

卸荷时，电液比例换向阀5.5和普通开关换向阀（5.17a、5.17b、5.17c）右位工作。该工况下，进油路为：吸油过滤器5.12，泵5.11，高压过滤器5.8，单向阀5.7，再经由各个支路的进油通道；其中加载缸5.1a支路的进油通道为：电液比例换向阀5.5右位，液压锁5.3a右位，加载缸5.1a有杆腔；其中加载缸5.1b支路的进油通道为：普通开关换向阀5.17a右位，液压锁5.3b右位，加载缸5.1b有杆腔；其中加载缸5.1c支路的进油通道为：普通开关换向阀5.17b右位，液压锁5.3c右位，加载缸5.1c有杆腔；其中加载缸5.1d支路的进油通道为：普通开关换向阀5.17c右位，液压锁5.3d右位，加载缸5.1d有杆腔。回油路为：经由各个支路的回油通道汇总，再经过回油过滤器5.16，温度调节器5.15，回到油箱100；其中加载缸5.1a支路的回油通道为：加载缸5.1a无杆腔，液压锁5.3a左位，电液比例换向阀5.5右位；其中加载缸5.1b支路的回油通道为：加载缸5.1b无杆腔，液压锁5.3b左位，普通开关换向阀5.17a右位；其中加载缸5.1c支路的回油通道为：加载缸5.1c无杆腔，液压锁5.3c左位，普通开关换向阀5.17b右位；其中加载缸5.1d支路的回油通道为：加载缸5.1d无杆腔，液压锁5.3d左位，普通开关换向阀5.17c右位。

当电液比例换向阀5.5，普通开关换向阀（5.17a、5.17b、5.17c）失电时，二者处于中间位为关闭状态，液压锁处于锁定状态，于是各支路通过相应液压锁（5.3a，5.3b，5.3c，5.3d）保压。

加载过程中，加载缸5.1的加载力通过温度压力传感器5.2检测，并反馈回计算机控制系统，通过工控机和软件编程实现加载力程序及同步协调控制。压力继电器5.6检测系统油压，当油压过高时压力继电器5.6动作，声光报警系统报警，提醒工作人员进行检修。

当液压缸阵列的加载缸数量N>4或者2N3时，工作原理如上。其中有1个加载缸由电液比例换向阀控制，其余N-1个加载缸由普通开关换向阀控制，每个点位的液压缸阵列的输出总加载力为，根据实际情况控制电液比例换向阀的开度和N-1个普通开关换向阀的加载接入数目，便可得到范围内的任意加载力。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。