伺服电机驱动的风电叶片疲劳试验激振装置及试验方法与流程

本发明公开了一种伺服电机驱动的风电叶片疲劳试验激振装置及试验方法，属于风电设备领域。

背景技术：

风电叶片大多采用的是高强度、高模量的树脂基纤维增强复合材料。疲劳性能测试已成为复合材料风电叶片设计、制造、运行过程中所关注的一项重要内容。

从目前国内外研究及应用状况来看，风电叶片疲劳试验测试主要有以下几种方式：风电叶片双锤激振加载振动耦合特性及试验研究、液压作动器驱动的风电叶片两轴疲劳加载系统设计与研究、摆锤共振型风电叶片疲劳加载系统研究、偏心质量块驱动的风电叶片疲劳试验、电动缸驱动的风电叶片疲劳试验和伺服电机驱动的风电叶片疲劳试验激振装置设计。

但是以上风电叶片疲劳试验装置安装不够方便，成本较高，且测试动力和效率不足，测量结果不够准确，适应性欠佳。

技术实现要素：

本发明公开一种伺服电机驱动的风电叶片疲劳试验激振装置，目的在于弥补老式的摆锤共振疲劳试验测试装备在测试动力和效率上的不足，实现低成本、高效率完成叶片疲劳试验，提高试验的精度和准确性。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为:

一种伺服电机驱动的风电叶片疲劳试验激振装置，用于对风电叶片进行挥舞方向和摆振方向的复合疲劳加载试验，包括：

风电叶片夹具，套装在所述风电叶片某段截面上，包括开设有仿形孔的夹持体和套装在所述夹持体外部的框架，所述夹持体具有上下对称的结构，所述框架包括：

沿x轴方向延伸的上安装面和下安装面，所述上安装面和下安装面上分别设有与激振单元连接固定的安装孔，实验时，在上安装面和下安装面上对称安装一套激振单元，用以带动风电叶片实现叶片切向振动；

沿y轴方向延伸的左侧安装面和右侧安装面，所述左侧安装面和右侧安装面上分别设有与激振单元连接固定的安装孔，实验时，在左侧安装面和右侧安装面上对称安装一套激振单元，用以带动风电叶片实现叶片面向振动；

所述激振单元包括：

机架，由四条杆件围合形成且具有矩形空腔，机架的上端设置有直线位移驱动机构，所述直线位移驱动机构的驱动端与设置在矩形空腔内的直线移动部分传动连接，所述直线移动部分包括中心架，中心架上远离机架两侧面上对称设有两个中心架盖，两个对称架盖上安装有配重块；

中心架与机架相接触的一侧侧面上设有沿所述直线移动部分移动方向布置的直线导轨副；

所述直线位移驱动机构包括：伺服电机、方轴承座、滚珠丝杠以及弹簧，其中，伺服电机安装在机架上，通过联轴器带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠上的丝杠螺母与中心架固定连接，方轴承座安装在机架上，通过内部的轴承将滚珠丝杠轴向固定；

所述机架上端设有与上弹簧座连接的连接孔，所述中心架盖的底部以及配重块上均设有供下弹簧座连接的连接孔，上弹簧座和下弹簧座之间连接所述弹簧；

丝杠后支撑，安装在机架底部，丝杠后支撑中设有与滚珠丝杠的轴线共轴的支撑孔，所述滚珠丝杠的底端装入所述支撑孔中；

第一位移检测传感器，用于监测直线导轨副上滑块的上、下限位置，并将检测的第一位移信号发送至下位机；

第二位移检测传感器，用于检测叶片的振幅，并将检测的第二位移信号发送至下位机；

丝杠超限报警器，与所述下位机信号连接；

伺服电机故障报警器，与所述下位机信号连接；

丝杠润滑机构，包括油泵、油液换向阀以及储油箱，其中，油泵用于从储油箱中抽取润滑油，下位机根据设定的润滑时间间隔激活油液换向阀是否出油；

所述下位机通过数据线与上位机实现数据通信。

所述中心架与方轴承座之间安装有防止方轴承座与中心架刚性碰撞的上缓冲橡胶垫；所述机架下部安装有防中心架与机架刚性碰撞的下缓冲橡胶垫。

所述第一位移检测传感器为光电式位移传感器，包括两个，两个光电式位移传感器分别安装在所述直线导轨副的上、下两端；

所述第二位移检测传感器为激光式位移传感器，安装于叶片正下方，通过激光光束垂直照射于叶片底面，由此检测叶片的振幅。

所述中心架盖上通过工作板与配重块连接，所述配重块由小配重块、中配重块、大配重块组成，所述工作板上设有用于安装大小不同配重块的配重块安装槽。

所述框架由h型钢制成，所述h型钢的一侧与夹持体固定连接，另一侧设有所述上安装面和下安装面；h型钢的两端分别设有所述左侧安装面和右侧安装面。

所述直线导轨副包括直线导轨、滑块以及滑块安装板，其中，所述直线导轨安装在机架上与中心架相邻的一侧，滑块安装在滑块安装板上，滑块安装板安装在中心架上。

本发明还进一步公开了一种基于所述伺服电机驱动的风电叶片疲劳试验激振装置的试验方法，包括以下步骤：

第一步、将装置的机架安装在风电叶片夹具上，风电叶片夹具固定在叶片上，从而实现装置与叶片、基座的有序安装；

第二步、安装完毕启动系统，伺服电机控制中心架做正弦规律的简谐振动，在叶片上产生按照正弦规律变化的驱动其振动的激振力，利用伺服电机驱动质量块作直线往复运动而产生反作用力，使叶片能够沿面向或切向振动；

与此同时，第一位移检测传感器，用于监测直线导轨副上滑块的上、下限位置，并将检测的第一位移信号发送至下位机；第二位移检测传感器实施检测叶片的振幅，并将检测的第二位移信号发送至下位机；

丝杠超限报警器，与所述下位机信号连接；

伺服电机故障报警器，与所述下位机信号连接；

下位机根据设定的润滑时间间隔激活油液换向阀定时出油，油泵从储油箱中抽取润滑油对所述滚珠丝杠副定时润滑；

所述下位机通过数据线与上位机实现数据通信。

所述伺服电机的激振频率可以随时改变，保证系统始终处于共振状态。

有益效果：

本发明通过伺服电机的正反转，带动中心支架作直线往复运动而产生对叶片的惯性力(或认为是质量块对叶片夹具的反作用力)，使叶片能够沿面向或者旋向震动。伺服电机控制质量块做正弦规律的简谐振动，在叶片上产生驱动其振动的按照正弦规律变化的激振力。其激振频率可以随时改变，保证系统始终处于共振状态。

与老式的摆锤共振疲劳试验测试装备相比，本发明具有以下优点：

第一、本发明采用的伺服电机驱动的风电叶片疲劳试验激振装置，由于伺服电机的精确性和可编程性，能够简化机械结构，降低设备成本；本发明能够使系统一直处于共振状态，从而缩小叶片疲劳试验周期，提高试验效率。

第二、本发明采用滚珠丝杠、以及在中心架与机架相接触的一侧侧面上设有沿所述直线移动部分移动方向布置的直线导轨副；滚珠丝杠和结构受力主要在导轨上，主要支撑力是由导轨和滑块提供的，滚珠丝杠完全不受力，故滚珠丝杠不会产生弯曲变形或破坏；另外，本发明框架采用h型钢制成，刚性高，直线度好，有效的保证了导轨安装后的直线度。

第三、本发明中增加了定时润滑丝杠设备，防止丝杠长时间高速旋转不润滑而抱死。

第四、本发明在滚珠丝杠的底部增加回转支撑，避免箱体在丝杠底部受力停止运动。

第五、本发明将与弹簧的受力方式从受拉改为受压，大大延长了弹簧的使用寿命。

附图说明

图1为本发明激振单元的主视图；

其中，1为伺服电机；2为联轴器；3为油泵；4为方轴承座；5为上缓冲橡胶垫；6为滚珠丝杠；7为丝杠螺母；8为上弹簧支撑板；9为弹簧；10为直线导轨副；11为配重块；12为中心架；13为丝杠后支撑；14为弹簧轴；15为下缓冲橡胶垫；16为限位开关；17为下弹簧支撑板；18为机架；

图2为图1的俯视图；

其中，19为工作板；20为中心架盖；21为滑块；22为直线导轨；23为滑块安装板；

图3为本发明激振单元的立体图；

图4为本发明装置在进行疲劳试验时的安装结构示意图；

图5为本发明叶片沿面向振动时的装置安装位置图；

图6为本发明叶片沿切向振动时的装置安装位置图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图1和实施例对本发明作进一步地详细描述。

在实施例中，为了便于描述，各部件相对位置关系的描述是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：上、下、左、右、前、后等的位置关系是依据说明书附图1的布图方向来确定的。

本发明一种伺服电机驱动的风电叶片疲劳试验激振装置，包括支撑系统和安装在支撑系统上的动力传动系统、检测控制系统和安全保障系统；

如图1～图3所示，所述的支撑系统包括机架18、中心架12、中心架盖20、工作板19、丝杠后支撑13、直线导轨副10。

配重块11安装在工作板19上，配重块11分为大、中、小三种不同规格，根据需要，选择不同的组合形式，构成不同的配重质量，满足使用要求；

工作板19安装在中心架盖20上，其主要目的是用于安装配重块10，并辅助起配重的作用；

中心架盖20安装在中心架12上，具有足够大的面积与重量，以便安装工作板16，并辅助起配重的作用；

直线导轨副10中的滑块21安装在滑块安装板23上，滑块安装板23安装在中心架12上。

直线导轨副10中的直线导轨22安装在机架18上。

中心架12、中心架盖、工作板、配重块组成机构的移动部分，机架为固定部分。当滑块与导轨相对运动时，移动部分与固定部分的摩擦力为滚动摩擦力，以便减少阻力损失；

中心架盖、工作板、配重块配置两组，对称布置在机架中心的两侧，以增加移动部分的重量；

下缓冲橡胶垫15安装在机架下部，以防中心架与机架刚性碰撞。

所述的动力传动系统包括伺服电机1、联轴器2、方轴承座4、上缓冲橡胶垫5、滚珠丝杠7、弹簧9及上弹簧支撑板8、下弹簧支撑板17。伺服电机1安装在机架上，通过联轴器带动滚珠丝杠转动，将伺服电机旋转运动转变为丝杠螺母的移动；

丝杠螺母7与中心架连接在一起，并一起在滚珠丝杠6带动下运动；

方轴承座4安装在机架上，通过内部的轴承将滚珠丝杠6轴向固定，不会随滚珠丝杠6的旋转而产生轴向移动；

上缓冲橡胶垫5安装在方轴承座4上，以防止方轴承座4与中心架刚性碰撞；

上弹簧支撑板8穿过机架，下弹簧支撑板17穿过中心架盖20、工作板19、配重块11；

弹簧9挂在上上弹簧支撑板8与下弹簧支撑板17上，并对称安装两组，以便受力平衡，并减少重力对系统的影响。

丝杠后支撑13安装在机架下部，滚珠丝杠6的底端装入丝杠后支撑13的孔中，保持滚珠丝杠6底端不产生摆动，以提高系统的运动精度；

检测控制系统包括第一位移检测传感器，用于监测滚珠丝杠上丝杠螺母的上、下限位置，并将检测的第一位移信号发送至下位机；

第二位移检测传感器，用于检测叶片的振幅，并将检测的第二位移信号发送至下位机；

丝杠超限报警器，与所述下位机信号连接；

伺服电机故障报警器，与所述下位机信号连接；

丝杠润滑机构，包括油泵、油液换向阀以及储油箱，其中，油泵用于从储油箱中抽取润滑油，下位机根据设定的润滑时间间隔激活油液换向阀是否出油；

本发明中，下位机为51单片机，所述51单片机主要包括具有64kb寻址空间，4kb程序存储单元，ram(256个字节)；2个定时器，2个中断口，1个uarst串口，外部晶振12m，机器周期1m，程序指令周期1个机器周期以上，即1s内程序指令执行调试小于1m，5v供电，io口除p0需外接电阻外，其它都可直接驱动电平输出。

润滑油泵的最大流量为6l/小时，流量可调，润滑压力为0.1bar，适合油品粘度20-150cst.，两孔横安装尺寸为100毫米。

所述下位机通过数据线与上位机实现数据通信。

直线导轨副安装在机架的中间对称线上或安装在机架的一侧上。

如图4所示，进行疲劳试验时，需将装置安装在叶片上，安装时，将装置的机架安装在叶片夹具上，叶片夹具固定在叶片上，从而实现装置与叶片、基座的有序安装，如图4。

本发明一种基于所述伺服电机驱动的风电叶片疲劳试验激振装置的试验方法，包括以下步骤：

第一步、将装置的机架安装在风电叶片夹具上，风电叶片夹具固定在叶片上，从而实现装置与叶片、基座的有序安装；

第二步、安装完毕启动系统，伺服电机控制中心架做正弦规律的简谐振动，在叶片上产生按照正弦规律变化的驱动其振动的激振力，利用伺服电机驱动质量块作直线往复运动而产生反作用力，使叶片能够沿面向或切向振动；

与此同时，第一位移检测传感器，用于监测直线导轨副上滑块的上、下限位置，并将检测的第一位移信号发送至下位机；第二位移检测传感器实施检测叶片的振幅，并将检测的第二位移信号发送至下位机；

丝杠超限报警器，与所述下位机信号连接；

伺服电机故障报警器，与所述下位机信号连接；

下位机根据设定的润滑时间间隔激活油液换向阀定时出油，油泵从储油箱中抽取润滑油对所述滚珠丝杠副定时润滑；

所述下位机通过数据线与上位机实现数据通信。

所述伺服电机的激振频率可以随时改变，保证系统始终处于共振状态。

从而可以短期内完成对于风电叶片的疲劳试验，提高效率，降低成本。

叶片沿面向或切向振动时的装置安装位置也有所不同，叶片沿面向振动时，该装置的安装位置如图5；

叶片沿切向振动时，该装置的安装位置如图6。