一种大型海上风电叶片多点双自由度疲劳测试装置及控制方法

1.本发明属于风电叶片疲劳试验等技术领域，具体涉及一种用于风力发电机叶片疲劳试验的多点双自由度协同加载测试控制方法。


背景技术：

2.清洁能源作为现代社会所追求的一种重要能源，被世界各个国家所使用。其中风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。风力发电机是将风能转化为电能的设备，叶片作为风电机组的重要组成部分，对叶片可靠性与寿命分析是至关重要的，而寿命分析则多为疲劳寿命分析，因此对叶片进行疲劳寿命分析是其重要一环。目前国外大多采用液压共振法以及强迫位移法这两种方式进行疲劳激振。其中液压激振是使风电叶片两个轴向采用共振原理，利用液压执行机构驱动质量块产生激振力。而强迫位移法则是被测叶片根据设计弯矩计算得到的位移，迫使叶片达到变形所需位移产生试验弯矩完成疲劳试验。而上述的方法成本过高，且对实验场所要求严。，国内则多采取的是电机驱动偏心质量块产生激振力，来产生疲劳加载弯矩。而国内采取的该方法只针对单一方向上的激振，不能很好的拟合叶片在实际运行中的受载情况。
3.国内关于风电叶片两轴激振装置的研究相对较少，主要与国外相类似，用液压对两轴向激振。但液压激振的设备虽有激振频率稳定，且液压缸之间能够起到缓冲吸能的作用，使得几个液压缸激振不会产生较大的干扰，且输出激振力稳定等优点；但液压激振装置设备所需场地要求较高、设备成本高、不易于安装维修等缺陷。另也有发明是用电机驱动的两轴向激振装置，但该发明中仅将两个激振源安装在一个激振位置，这使得两个电机之间的耦合更加明显。因此，在现有的技术基础上，研发一个能够实现叶片双自由度协同加载、具有一定的抗耦合能力、加载激振力与激振频率误差范围小以及可以实时测控各项加载结果数据的成本较低的测控系统是有必要的。本发明在此基础上搭建了一套双自由度协同加载装置以及提出了一个同步控制方法，其输出信号包括有应变、测点位移、转速及相位的传输，均使用了多种无线数采设备采集信号及传输信号，信号通过plc反馈同步控制两激振器，进而达到稳定叶片振幅的效果。


技术实现要素：

4.本发明主要针对现有技术存在的不足，提出了一个适用于风电叶片的疲劳加载试验的多点双自由度加载测试装置以及其控制方法。
5.本发明所采取的技术方案为：
6.一种大型海上风电叶片多点双自由度疲劳测试装置，其特征在于，包括用于固定试验叶片的固定基座，应变片平均分布贴在试验叶片表面；固定夹具通过螺栓螺母夹紧固
定在叶片上；摆振方向激振器通过螺钉与固定夹具连接；挥舞方向激振器通过螺栓螺母与固定夹具连接；第一附加质量块通过焊接与固定夹具连接；加速度陀螺仪安装在试验叶片的叶尖处；控制器分别与挥舞方向激振器以及摆振方向激振器连接。
7.2.根据权利要求1所述的一种大型海上风电叶片多点双自由度疲劳测试装置，其特征在于，摆振方向激振器包括直线电机、电机导轨、第二附加质量快、配重块以及第一木芯，直线电机通过螺钉固定在上固定板上，直线电机内部内置电磁换向阀；电机导轨与直线电机配接；电机导轨通过螺钉连接上第二附加质量块；配重块固定在下固定板上；第一木芯夹在两固定板间，用于保护叶片不受破坏。
8.3.根据权利要求1所述的一种大型海上风电叶片多点双自由度疲劳测试装置，其特征在于，挥舞方向激振器包括，液压推杆通过螺栓固定在上下固定板之间，液压推杆在进出油口安装了电液比例阀；第三附加质量块通过螺纹与液压推杆连接；挥舞方向配重块通过焊接与下固定板连接；液压节流阀位置传感器通过螺纹固定在液压推杆进出油口；第二木芯夹在两固定板间，用来保护叶片不受破坏。
9.4.根据权利要求1所述的一种大型海上风电叶片多点双自由度疲劳测试装置，其特征在于，叶片叶根通过叶根处的法兰与固定基座进行固定，从而形成悬臂梁结构。固定基座通过接地螺栓固定在地面上。
10.5.根据权利要求1所述的一种大型海上风电叶片多点双自由度疲劳测试装置，其特征在于，挥舞方向激振器通过夹具固定在距离叶片叶根70％的位置，摆振方向激振器通过夹具固定在距离叶片叶根50％的位置。
11.6.根据权利要求1所述的一种大型海上风电叶片多点双自由度疲劳测试装置，其特征在于，所述控制器包括：plc控制器：输入口与上位机连接，用于接收控制信号，输出口与直线电机驱动器、电磁换向阀连接，用于发送电机脉冲信号和电磁阀换向信号。
12.扩展模块：输出口与电液比例阀连接，用于发送上位机输出的电压信号，最终转化为比例阀的开度大小，实现对系统流量的控制。
13.一种用于风力发电机叶片疲劳试验的双轴协同加载测量方法，包括：
14.步骤1：上位机发送扫频启动信号；扫描叶片共振频率，确定挥舞方向以及摆振方向上的激振频率，激振力的计算根据定常振动条件以及能量守恒定律可知，阻尼力做功等同于激振力做功。设阻尼力在叶片振动一个周期所做功为：δw，两点激振力做功为δei(i＝1，2)，则有：
[0015][0016]
式中，c为阻尼系数；k为等效刚度系数；a
11
为点1叶片振幅；a
22
为点2叶片振幅；f2为挥舞方向激振力；f2为摆振方向激振力；s1为挥舞方向激振器行程；s2为摆振方向激振行程；x为叶片位移；m为两激振器质量。
[0017]
根据能量守恒定律，质量块对叶片做功与阻尼耗能相等，即：δw＝δe1+δe2，得：
[0018]
πa
11
m1s1ω2+πa
22
m2s2ω2＝2πk
[0019]
由上式可知叶片阻尼计算需要等效刚度k采用动能等效法，将疲劳加载系统中叶
片等效成一系列的离散质量点，并保证系统前后振动动能不变来求解。则最大动能为：
[0020][0021]
式中，mi为叶片离散段、配重及装置固定部分的总质量，mi＝λili+δmi，其中λi、li分别为分段质量线密度和长度，δmi为配重和加载装置固定部分的质量；yi为质量mi处位移；n为离散质量点的个数；ω为离散点的频率。
[0022]
利用一个等效质量替换所有离散质量单元，则：
[0023][0024]
式中，m为等效质量；a为等效质量的振幅；y为等效质量的位移。
[0025]
根据能量守恒定律，阻尼耗能等于两激振力对叶片做功之和
[0026]
则：
[0027][0028]
确定其激振力后，通过公式可以算出加速度大小。
[0029]
步骤2：摆振激振器直线电机加载启动；
[0030]
步骤3：加速度传感器采集当前加载频率的加速度数据发送给上位机；
[0031]
步骤4：上位机内部积分处理加速度数据并将加载频率递增一个步长发送给plc控制器；
[0032]
步骤5：依次从扫频区间下限递增至上限，确定摆振方向全局最大振幅对应的频率；
[0033]
步骤6：与摆振方向扫频原理相同，确定挥舞方向全局最大振幅对应的频率，唯一不同的是挥舞方向激振器为液压缸；
[0034]
步骤7：依据确定的共振频率通过上位机发送对应的启动信号，分别进行摆振、挥舞方向以及双轴同时加载的疲劳试验；
[0035]
步骤8：利用加速度传感器反馈的数据进行实时处理实现整个加载系统的闭环控制，整个系统控制器的输入为当前振幅与设定的振幅之间的偏差。对于摆振方向，如果当前振幅小于设定的振幅，上位机则会加大脉冲的频率，具体值通过pid控制器计算得出通过plc输出口发送给电机驱动器，如果大于则减小脉冲发送频率。对于挥舞方向，如果当前振幅小于设定的振幅，上位机会通过pid控制器增加plc模拟量扩展模块输出电压驱动比例控制器加大比例阀的开度，增加系统流量从高提高液压缸运行速度，如果大于则减小输出电压来减小流量。
[0036]
本发明具有以下有益效果：
[0037]
本发明与现有的技术相比，1.本发明与其它类型双自由度加载装置相比，本发明重点在于将液压激振与电机激振相结合，挥舞方向频率低，激振力要求大，发明选用液压激振，液压激振所提供的的激振力更加稳定。摆动方向频率高，激振力要求小，发明选用直线电机激振，电机激振响应快，频率高，可以良好适用于现有双自由度疲劳测试。2.本发明所采用的两种激振方式，需要进行协同控制，发明也提出了一套控制方法，使得液压与电机协
同运动，从而对真实工况进行较高程度的还原。3.本发明重点采用了无线数采传输设备，相较于传统数据线传输，无线数采减少了布线的工作量，降低由于数据线在试验过程中震颤产生的偏差，同时减少叶片在试验过程中对数据线产生的干涉问题。本发明中的应变片、位移传感器、旋转编码器以及六轴微型惯导单元采集信号都与相搭配的无线数采使用。
附图说明
[0038]
图1为本发明设计的双自由度向协同加载测试装置的结构示意图。
[0039]
图2为摆振方向激振器结构示意图。
[0040]
图3为挥舞方向激振器结构示意图。
[0041]
图4为控制流程图。
[0042]
图5为控制电路接线图。
[0043]
图6为plc接线图。
[0044]
图7为系统结构图。
[0045]
图8为主电路接线图。
具体实施方式
[0046]
图1所示为一种用于风力发电机叶片疲劳试验的双轴协同加载测量装置的结构示意图，包括固定基座1，试验叶片2，应变片3，固定夹具4.1，第一附加质量块4.2，加速度陀螺仪5，摆振方向激振器6，挥舞方向激振器7以及控制器8。试验叶片2的叶根端与基座1通过法兰盘连接；应变片3平均分布贴在试验叶片2表面；摆振方向激振器6通过螺钉与固定夹具4.1连接；挥舞方向激振器7通过螺栓螺母与固定夹具4.1连接；加速度陀螺仪5安装在试验叶片2的叶尖处；控制器8分别与挥舞方向激振器7以及摆振方向激振器6连接。
[0047]
摆振方向激振器6包括：6.1表示直线电机；6.2表示为电机导轨；6.3表示为第二附加质量块；6.4表示为配重块；6.5表示为木芯，直线电机6.1通过螺钉固定在固定板上，电机导轨6.2通过螺钉安装在直线电机6.1上，第二质量块6.3通过螺钉安装在电机导轨上6.2，配重块6.4焊接在下固定板上，第一木芯6.5夹在上下固定板间，通过螺栓螺母夹紧固定。
[0048]
挥舞方向激振器7：7.1表示液压推杆；7.2表示为第三附加质量块；7.3表示为挥舞方向配重块；7.4表示为液压节流阀位置传感器；7.5表示为木芯，液压推杆7.1通过螺栓螺母与上下固定板连接；第三附加质量块7.2通过螺纹与液压推杆7.1连接；挥舞方向配重块7.3通过焊接与下固定板连接；液压节流阀位置传感器7.4安装在液压推杆7.1的进出油口；第二木芯7.5加载上下固定板间，通过螺栓螺母夹紧固定。
[0049]
叶片2叶根与固定基座通过叶根处的法兰与固定基座进行固定，从而形成悬臂梁结构。固定基座1通过地脚螺栓与地面连接。
[0050]
挥舞方向激振器7通过夹具固定在距离叶片2叶根70％的位置，摆振方向激振器6通过夹具固定在距离叶片2叶根50％的位置。
[0051]
所述控制器包括：
[0052]
plc控制器：输入口与上位机连接，用于接收控制信号，输出口与直线电机驱动器、电磁换向阀连接，用于发送电机脉冲信号和电磁阀换向信号。
[0053]
扩展模块：输出口与电液比例阀连接，用于发送上位机输出的电压信号，最终转化
为比例阀的开度大小，实现对系统流量的控制。
[0054]
本发明还涉及一种用于风力发电机叶片疲劳试验的双轴协同加载测量方法，包括：
[0055]
步骤1：上位机发送扫频启动信号；扫描叶片共振频率，确定挥舞方向以及摆振方向上的激振频率，激振力的计算根据定常振动条件以及能量守恒定律可知，阻尼力做功等同于激振力做功。设阻尼力在叶片振动一个周期所做功为：δw，两点激振力做功为δei(i＝1，2)，则有：
[0056][0057]
式中，c-阻尼系数；k-等效刚度系数；a
11-点1叶片振幅；a
22-点2叶片振幅；f
1-挥舞方向激振力；f
2-摆振方向激振力；s
1-挥舞方向激振器行程；s
2-摆振方向激振器行程；x-叶片位移；m-两点激振器质量。
[0058]
根据能量守恒定律，质量块对叶片做功与阻尼耗能相等，即：δw＝δe1+δe2，得：
[0059]
πa
11
m1s1ω2+πa
22
m2s2ω2＝2πk
[0060]
由上式可知叶片阻尼计算需要等效刚度k采用动能等效法，将疲劳加载系统中叶片等效成一系列的离散质量点，并保证系统前后振动动能不变来求解。则最大动能为：
[0061][0062]
式中，mi——叶片离散段、配重及装置固定部分的总质量，mi＝λili+δmi，其中λi、li分别为分段质量线密度和长度，δmi为配重和加载装置固定部分的质量；yi为质量mi处位移；n为离散段的个数；ω为离散段所对应的频率。
[0063]
利用一个等效质量替换所有离散质量单元，则：
[0064][0065]
式中，m——等效质量；a——等效质量的振幅；y——等效质量的位移。
[0066]
综上所述，根据能量守恒定律，阻尼耗能等于两激振力对叶片做功之和
[0067]
则：
[0068][0069]
确定其激振力后，通过公式可以算出加速度大小。
[0070]
步骤2：摆振激振器直线电机加载启动；
[0071]
步骤3：加速度传感器采集当前加载频率的加速度数据发送给上位机；
[0072]
步骤4：上位机内部积分处理加速度数据并将加载频率递增一个步长发送给plc控制器；
[0073]
步骤5：依次从扫频区间下限递增至上限，确定摆振方向全局最大振幅对应的频率；
[0074]
步骤6：与摆振方向扫频原理相同，确定挥舞方向全局最大振幅对应的频率，唯一
不同的是挥舞方向激振器为液压缸；
[0075]
步骤7：依据确定的共振频率通过上位机发送对应的启动信号，分别进行摆振、挥舞方向以及双轴同时加载的疲劳试验；
[0076]
步骤8：利用加速度传感器反馈的数据进行实时处理实现整个加载系统的闭环控制，整个系统控制器的输入为当前振幅与设定的振幅之间的偏差。对于摆振方向，如果当前振幅小于设定的振幅，上位机则会加大脉冲的频率，具体值通过pid控制器计算得出通过plc输出口发送给电机驱动器，如果大于则减小脉冲发送频率。对于挥舞方向，如果当前振幅小于设定的振幅，上位机会通过pid控制器增加plc模拟量扩展模块输出电压驱动比例控制器加大比例阀的开度，增加系统流量从高提高液压缸运行速度，如果大于则减小输出电压来减小流量。
[0077]
注意两者之间不能发生干涉。各传感器和数采按照对应的安装要求安装。
[0078]
根据试验叶片的疲劳试验设计要求，选择合适的附加质量块安装在两个激振器上，
[0079]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。