用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及海上风机支撑结构动力特性室内模型试验设备技术领域。
【背景技术】
[0002] 风能作为目前发展最快、产业前景最好的清洁可再生能源，越来越受到重视，成为 解决全球能源短缺和保障能源安全的战略选择之一。我国的风能总储量约32. 26亿kW，可 开发风能约10亿kW，其中海上风能7. 5亿kW。开发海上风能将有效缓解我国能源紧缺状 况，已成为国家"十二五"能源战略的重要内容，对于改善我国当前能源结构，实现可持续发 展意义重大。海上风机的支撑结构主要由塔架和基础构成，其动力特性对于保障海上风机 的安全运行至关重要。其蕴含科学问题的解决与相关理论的提出需要基于大量可靠和详尽 的试验数据。相比现场原位试验，模型试验方法具有费用低廉、易于操作、外界干扰因素少 等优点，在科学研究中发挥着不可替代的作用。目前，国内外对海上风机的支撑结构动力特 性试验研究相对较少，模型试验中的荷载多数通过额外的激振器通过刚性加载杆来施加， 而且往往只能单独施加某一方向的循环荷载。每次需要测量模型的自振频率时都要将加 载杆断开，操作复杂而且容易对基础周围土体产生一定的扰动，严重影响试验结果的可靠 性。此外，实际上，海上风机在运营期内将受到不同方向的水平作用力，包括随时间变化的 风力、波浪力、潮流力等，因此研制一款能够方便地对海上风机支撑结构施加多方向的水平 循环荷载的新型试验设备十分必要。
【发明内容】
[0003] 本发明首先要解决的技术问题是提供一种用于海上风机支撑结构振动试验的多 向循环加载装置，其原理简单、成本低、操作方便，能达到向模型施加循环荷载的目的。
[0004] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0005] 用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置，包括框架，所述框架设置 在基座上，所述框架内安装有齿轮副，所述齿轮副水平设置，所述齿轮副包括两个相互咬合 的施力齿轮，齿轮副的两个施力齿轮上对称地设有质量块，所述质量块能随其所在的施力 齿轮的转动而转动，所述质量块的转动半径小于其所在的施力齿轮的齿轮半径，齿轮副的 两个施力齿轮分别通过转轴安装在框架上，齿轮副中主动施力齿轮的安装轴为主动轴，从 动施力齿轮的安装轴为从动轴，所述框架内还设有动力装置，所述动力装置通过传动机构 连接至主动轴，从而带动齿轮副转动。
[0006] 在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术 方案：
[0007] 所述齿轮副为两对，两对齿轮副位于不同的平面上，两对齿轮副的施力齿轮中心 连线相互垂直。
[0008] 所述齿轮副的两个施力齿轮的上表面分别设有沿其周向均布的多个开孔，所述质 量块安装在其中一个开孔内，同一齿轮副的两个施力齿轮上的质量块的质量相同。
[0009] 所述传动机构包括蜗杆、传动轴、传动齿轮和冠齿轮，所述蜗杆与所述传动轴相互 配合进行传动，所述蜗杆连接至动力装置的输出轴，所述蜗杆与所述传动轴的动力输出方 向相互垂直，所述传动齿轮连接在所述传动轴的两端，并能随所述传动轴转动，所述冠齿轮 大冠齿轮和小冠齿轮，所述大冠齿轮和小冠齿轮分别与传动轴两端的传动齿轮啮合，所述 小冠齿轮连接在驱动位于上部的齿轮副的主动轴下端，并能与该主动轴同步转动，所述大 冠齿轮连接在驱动位于下部的齿轮副的主动轴下端，并能与该主动轴同步转动。
[0010] 所述大冠齿轮的齿数采用48齿、36齿、24齿或18齿，所述小冠齿轮的齿数采用12 齿，所述传动齿轮根据冠齿轮的大小适当调节位置。
[0011] 所述基座通过模型塔架与模型基础固定连接，所述模型塔架顶部设有加速度传感 器，所述模型基础被压入试验砂土中。
[0012] 所述动力装置为电机，所述电机连接至稳压电源。
[0013] 如图1所示，本发明的基本原理是利用质点m沿着半径为r的圆弧做角频率为ω 的匀速圆周运动时，将产生一个大小为^的离心力：
[0014] Fn=mr2ω
[0015] 据此，在图2所示的由两个相互咬合的齿轮组成的转动系统里，左右两个齿轮各 自以相同转速沿不同方向进行旋转，假设初始时刻在两个齿轮的位置a处各有一个质量分 别为叫和m2的质点（忽略齿轮本身质量的影响），则当两个质点随着齿轮旋转时将分别会 对圆心产生一个大小分别为Fnl和Fn2的离心力。
[0016] Fnl =m^ω2
[0017] Fn2 =m2rω2
[0018] 质点叫和m2在整个旋转过程中的位置保持对称，从图2的受力分解图中可见离心 力Fnl和Fn2沿X和Y方向分解后，将会对整个齿轮系统产生一个相互正交的且大小分别为 匕和Fγ的合力，并随转动角度分别按余弦和正弦规律变化，特殊的，当mm2=m时，理论 上仅在Y方向产生大小为F'γ的简谐荷载。
[0019] Fx= (m「叫)rω2cosΘ
[0020] FY=(m1+m2)rω2sinθ
[0021] F' Y= 2mrω2sinΘ
[0022] 本发明就利用以上特殊情况，利用两套类似图2的结构，旋转角速度比为1:2,对 模型施加如图3.a所示的荷载路径（XY轴分别表示水平面XY的荷载方向）。相比单一图2 系统装置（只能产生椭圆形的平面荷载路径或施加单向荷载），本发明可以产生更为复杂 的加载条件，尤其是海上风机所受风向改变时会产生两个方向的荷载，能更好地模拟海上 风机所受的不确定荷载形式，由于本发明采用了机械连接的两组动力施加装置，四个施力 齿轮转速完全相同，避免了使用两组简单动力施加装置独立运行而引起相位差无法预知和 控制，从而导致加载路径的不确定造成实验结果不可重复，为了适应更多类型的加载路径， 本发明还为设备配备了各种不同齿数的冠齿轮，小冠齿轮采用单一齿数（12齿），大冠齿轮 除了 24齿外，还可以采用了 48齿（施力齿轮的转速比为1:4)、18齿（施力齿轮的转速比 2:3)、36齿（施力齿轮的转速比1:3)等荷载路径分别如图3.b、c、d所示，在试验前可以进 行更换以产生丰富的循环加载路径，底部传动轴上的齿轮可以根据不同的冠齿轮大小适当 调节位置。
[0023] 本装置的构造如图4所示，外壳采用厚度7mm的金属框架，保证一定的刚度。上下 面板中间布置4根轴，可旋转，轴上固定有主齿轮，组成两套图2系统，上下错开正交布置。 整个装置包括齿轮的大小可以根据试验需要作相应变换，为了后续计算方便，本设计取重 块的旋转半径r= 3cm。此外，两套系统的其中一轴下部还装有冠齿轮，不同齿数的冠齿轮 满足了两组系统不同转速的要求。在金属板上固定的电机通过一根传动轴将动力传递至冠 齿轮，从而实现装置的运作。质量块布置采用上文图2的方案，同层质量块质量相等，使得 加速度沿双齿轮切点的切线方向。两层的质量块质量可以不同，方便在两个方向施加不同 幅值的荷载。动力由电机提供，直流稳压电源控制电路电压，达到恒定电机转速的目的。进 行试验前，通过测速机校核输出电压U与齿轮转速R的关系，进而得出输出电压与加载频率 f的关系，作出f-υ图并拟合成公式，方便后续试验的进行。
[0024] 本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种用于海上风机支撑结构振动试验 的多向循环加载方法，所述方法采用上述的多向循环加载装置，并包括以下步骤：
[0025] 1)通过测速计校核输出电压U与齿轮转速R之间的关系，进而得出输出电压U与 加载频率f之间的关系，得到f-U图并拟合成公式；
[0026] 2)根据试验加载的荷载峰值、加载频率f以及循环次数，计算质量块的质量m，并 确定输出电压U及每段加载时间t;
[0027] 3)测试加速度传感器；
[0028] 4)测试并计算X、Y方向的初始自振频率和系统阻尼；
[0029] 5)根据步骤2)所确定的m和U值，对装置多次施加特定频率和幅值的循环荷载；
[0030] 6)当施加次数达到N1时，暂停循环加载，并采用步骤4)的方法测试此时装置的自 振频率；
[0031]7)重启加载装置，重复步骤5)-6)，直到总加载次数N(N=N1+N2+……+Nn)达到 试验所需的量级为止。
[0032] 9、如权利要求8所述的用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载方法，其 特征在于：循环加载的荷载包括单向荷载和親合荷载，
[0033] 当施加X或Y方向