專利名稱：風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)電葉片的性能測(cè)試裝置及測(cè)試方法，尤其涉及一種風(fēng)電葉片的疲勞測(cè)試裝置及測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
葉片是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的關(guān)鍵部件。疲勞測(cè)試試驗(yàn)是風(fēng)力發(fā)電葉片在設(shè)計(jì)、定型、生產(chǎn)過程中重要的測(cè)試試驗(yàn)，葉片的設(shè)計(jì)壽命是20年，通過疲勞測(cè)試試驗(yàn)可確定風(fēng)電葉片能否在設(shè)計(jì)壽命期間內(nèi)安全地工作。在整個(gè)風(fēng)電葉片的使用期間，葉片受到各種外界環(huán)境及風(fēng)載荷的組合影響，葉片載荷較復(fù)雜，葉片疲勞載荷譜可由計(jì)算得到，也可用測(cè)試方法得到。在疲勞試驗(yàn)過程中，為了在可接受的時(shí)間內(nèi)完成試驗(yàn)，必須將載荷放大。目前，使用較多的疲勞加載方法有液壓加載和共振法加載，液壓加載準(zhǔn)確、可靠，但價(jià)格昂貴，成本太高，共振法加載成本低但誤差大，試驗(yàn)不易控制，且只能滿足一個(gè)方向加載。如何改進(jìn)現(xiàn)有的風(fēng)電葉片疲勞加載方法，進(jìn)而為風(fēng)電葉片性能提供更加準(zhǔn)確、可靠和經(jīng)濟(jì)的性能檢測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)，這成為本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠、試驗(yàn)成本低、結(jié)構(gòu)簡單的風(fēng) 力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，還相應(yīng)提供一種試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)成本低、試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確科學(xué)的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，包括用于固定葉片葉根部的試驗(yàn)基座和用于給葉片葉面加載的加載裝置，所述加載裝置包括驅(qū)動(dòng)裝置、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和葉片限位裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)與葉片限位裝置相連，所述葉片限位裝置為一限制待測(cè)試葉片的加載部位在特定范圍內(nèi)位移的限位裝置。上述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置中，所述特定范圍內(nèi)位移可以不作嚴(yán)格的限制，但優(yōu)選是指加載部位在設(shè)定長度范圍內(nèi)作往復(fù)直線位移。前述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置中，所述直線位移的方向同樣并無嚴(yán)格限制，但優(yōu)選為豎直方向的往復(fù)直線位移或水平方向的往復(fù)直線位移。上述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置中，所述葉片限位裝置優(yōu)選包括限位基架和使待測(cè)試葉片的加載部位能在限位基架內(nèi)滑動(dòng)的工裝(工裝與限位基架相互配合)，所述工裝與所述曲柄連桿機(jī)構(gòu)的自由端相連(曲柄連桿機(jī)構(gòu)的另一端則連接驅(qū)動(dòng)裝置)。上述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置中，所述工裝優(yōu)選的結(jié)構(gòu)形式是由兩定位組件對(duì)接而成，兩定位組件的對(duì)接部位開設(shè)有供葉片穿過的定位槽；所述定位組件的外側(cè)安裝有滾輪，所述限位基架上安裝有供滾輪滑動(dòng)的軌道。上述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置中，所述定位槽內(nèi)優(yōu)選設(shè)有緩沖葉片與定位組件相互作用的緩沖墊。上述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置中，優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)裝置主要由偏心輪、電機(jī)和減速器構(gòu)成。上述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置中，優(yōu)選的，所述曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要由曲柄和連桿連接組成，所述曲柄與所述驅(qū)動(dòng)裝置相連，所述連桿與葉片限位裝置相連。作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種用上述試驗(yàn)裝置對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行疲勞測(cè)試的試驗(yàn)方法，包括以下步驟:
(I)依據(jù)計(jì)算的疲勞載荷確定疲勞載荷(揮舞和擺振兩個(gè)方向)的合力方向作為葉片的安裝方向，根據(jù)安裝方向?qū)⒋郎y(cè)試葉片的葉根部固定安裝于所述試驗(yàn)基座上；
(2 )根據(jù)疲勞載荷大小，通過有限元方法和試驗(yàn)方法確定加載部位的撓度變形，再依據(jù)撓度變形和疲勞載荷大小設(shè)計(jì)所述葉片限位裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的尺寸大??；
(3)設(shè)計(jì)并確定待測(cè)試葉片的加載部位(一般可依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)確定試驗(yàn)區(qū)域和加載部位)，并通過所述葉片限位裝置限制待測(cè)試葉片的加載部位在特定范圍內(nèi)位移；安裝葉片限位裝置時(shí)使待測(cè)試葉片的加載方向與位移方向一致；
(4)調(diào)試加載設(shè)備，配平試驗(yàn)區(qū)內(nèi)葉片的重力荷載，再調(diào)節(jié)葉片的撓度變形直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求，然后開始疲勞試驗(yàn)；
(5)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，使驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)、并進(jìn)而帶動(dòng)葉片限位裝置和待測(cè)試葉片在所述特定范圍內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；通過位移傳感器控制待測(cè)試葉片的位移，以實(shí)現(xiàn)設(shè)定疲勞荷載下的葉片性能測(cè)試。每間隔一段時(shí)間測(cè)試葉片的剛度衰減情況，并根據(jù)剛度衰減情況重新調(diào)整加載裝置，繼續(xù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)`。上述的試驗(yàn)方法中，所述驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)選主要由偏心輪、電機(jī)和減速器構(gòu)成。本發(fā)明的上述技術(shù)方案主要基于平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)原理，通過旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)裝置(優(yōu)選如偏心輪)帶動(dòng)一曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)葉片進(jìn)行循環(huán)加載，并通過葉片限位裝置的作用強(qiáng)迫葉片按設(shè)計(jì)的軌跡運(yùn)動(dòng)，該曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以滿足正弦變化的速度特性，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)揮舞方向和擺振方向兩個(gè)方向的同時(shí)加載。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，能同時(shí)滿足揮舞和擺振兩個(gè)方向上的疲勞載荷，本發(fā)明的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法不僅能準(zhǔn)確地控制葉片位移變化，而且可以更好地保證風(fēng)電葉片疲勞試驗(yàn)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性，且節(jié)約了試驗(yàn)周期；相比于其他的液壓等其他的普通驅(qū)動(dòng)方式，本發(fā)明也大大降低了試驗(yàn)成本，為工業(yè)應(yīng)用和推廣提供了良好的條件。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中葉片在豎直方向進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)的加載原理示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中葉片在水平方向進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)的加載原理示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中葉片試驗(yàn)平臺(tái)示意圖。圖4為本發(fā)明中葉片在揮舞方向的動(dòng)作示意圖。圖5為本發(fā)明中葉片在擺振方向的動(dòng)作示意圖。圖例說明
1、限位基架；2、工裝；3、緩沖墊；4、滾輪；5、連桿；6、曲柄；7、偏心輪；8、葉片；9、試驗(yàn)基座。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例:
如圖1 圖3所示，一種本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，包括用于固定葉片8葉根部的試驗(yàn)基座9和用于給葉片8的葉面加載的加載裝置。本實(shí)施例中的加載裝置包括驅(qū)動(dòng)裝置、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和葉片限位裝置。本實(shí)施例中的驅(qū)動(dòng)裝置主要由偏心輪7、電機(jī)和減速器構(gòu)成；曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要由曲柄6和連桿5連接組成，曲柄6的一端與驅(qū)動(dòng)裝置的偏心輪7相連，另一端與連桿5的一端相連，連桿5的另一端則與葉片限位裝置相連；偏心輪7通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)與葉片限位裝置相連。葉片限位裝置為一限制待測(cè)試葉片8的加載部位在特定范圍內(nèi)位移的限位裝置。本實(shí)施例的葉片限位裝置包括限位基架I和使待測(cè)試葉片8的加載部位能在限位基架I內(nèi)滑動(dòng)的工裝2，工裝2與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的自由端(即連桿5的端部)相連。工裝2是由兩定位組件對(duì)接而成，兩定位組件的對(duì)接部位開設(shè)有供葉片8穿過的定位槽；定位組件的外側(cè)安裝有滾輪4，限位基架I上安裝有供滾輪4滑動(dòng)的軌道，通過滾輪4在軌道上的滑動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片8的位移方向的有效控制。定位槽內(nèi)設(shè)有緩沖葉片8與定位組件相互作用的緩沖墊3，即緩沖墊3填充于工裝2與葉片8的表面之間以保護(hù)葉片，本實(shí)施例選用一 5mm IOmm厚的橡膠墊作為緩沖墊3。通過采用本實(shí)施例的葉片限位裝置，可以迫使葉片8的加載部位在設(shè)定長度范圍內(nèi)作往復(fù)直線位移，具體的，該往復(fù)直線位移可以為圖1所示的豎直方向往復(fù)直線位移或者如圖2所示的水平方向往復(fù)直線位移。采用本實(shí)施例的上述試驗(yàn)裝置對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行疲勞測(cè)試的試驗(yàn)方法，具體包括以下步驟:
(I)首先，依據(jù)計(jì)算的疲勞載荷(疲勞載荷是通過風(fēng)機(jī)載荷專用軟件計(jì)算的等效疲勞載荷)，確定載荷(揮舞和擺振兩個(gè)方向，參見圖4和圖5)的合力方向，借助轉(zhuǎn)接法蘭將待測(cè)試的葉片8的葉根部固定于試驗(yàn)基座9上，使合力方向垂直于地面；
(2 )根據(jù)疲勞載荷大小，通過有限元方法和試驗(yàn)方法確定加載部位的撓度變形，再依據(jù)撓度變形和疲勞載荷大小設(shè)計(jì)葉片限位裝置(限位基架I)、偏心輪7、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的尺寸大??；
(3)設(shè)計(jì)并確定待測(cè)試的葉片8的加載部位(加載部位距葉根部距離為葉片8總長的3/4)，并通過葉片限位裝置的工裝2使葉片8的加載部位位于限位基架I內(nèi)，并使工裝2的滾輪4安裝在限位基架I的軌道上，以實(shí)現(xiàn)葉片8的位移方向的控制；安裝葉片限位裝置時(shí)使待測(cè)試葉片8的加載方向與位移方向一致，在本實(shí)施例中即是將加載方向調(diào)整到與滾輪4的軌道方向一致；
(4)調(diào)試加載設(shè)備，在開始疲勞試驗(yàn)前，先配平葉片試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的重力荷載，保持應(yīng)力比為-1 ;再調(diào)節(jié)葉片8的撓度變形直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求，然后開始疲勞試驗(yàn)；
(5)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，使驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)、并進(jìn)而帶動(dòng)葉片限位裝置和待測(cè)試葉片8在水平方向( 或豎直方向)的直線范圍內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；通過位移傳感器監(jiān)測(cè)待測(cè)試葉片8在加載部位的撓度大小，以實(shí)現(xiàn)設(shè)定疲勞荷載下的葉片性能測(cè)試；葉片在疲勞試驗(yàn)過程中，每隔一段時(shí)間(本實(shí)施例設(shè)定為10萬次循環(huán))，要測(cè)試葉片8的剛度衰減情況，根據(jù)剛度的衰減值，重新調(diào)節(jié)試驗(yàn)的振幅大小，并始終保持載荷幅值不變。本實(shí)施例的上述試驗(yàn)方法和試驗(yàn)裝置通過偏心輪7帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，經(jīng)連桿實(shí)現(xiàn)葉片的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，借助滾輪4和軌道控制葉片8的運(yùn)動(dòng)方向，該曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以滿足正弦變化的速度特性。同時(shí)，本實(shí)施例的試驗(yàn)方法可根據(jù)葉片8揮舞方向(參見圖4)和擺振方向(參見圖5 )疲勞載荷的合力，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)過程更加符合實(shí)際載荷工況，且節(jié)約了試驗(yàn)成本。 ·
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，包括用于固定葉片(8)葉根部的試驗(yàn)基座(9)和用于給葉片(8)葉面加載的加載裝置，其特征在于:所述加載裝置包括驅(qū)動(dòng)裝置、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和葉片限位裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)與葉片限位裝置相連，所述葉片限位裝置為一限制待測(cè)試葉片(8)的加載部位在特定范圍內(nèi)位移的限位裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述特定范圍內(nèi)位移是指加載部位在設(shè)定長度范圍內(nèi)作往復(fù)直線位移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述直線位移為豎直方向的往復(fù)直線位移或水平方向的往復(fù)直線位移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述葉片限位裝置包括限位基架(I)和使待測(cè)試葉片(8)的加載部位能在限位基架(I)內(nèi)滑動(dòng)的工裝(2 )，所述工裝(2 )與所述曲柄連桿機(jī)構(gòu)的自由端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述工裝(2)是由兩定位組件對(duì)接而成，兩定位組件的對(duì)接部位開設(shè)有供葉片(8)穿過的定位槽；所述定位組件的外側(cè)安裝有滾輪(4)，所述限位基架(I)上安裝有供滾輪(4)滑動(dòng)的軌道。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述定位槽內(nèi)設(shè)有緩沖葉片(8)與定位組件相互作用的緩沖墊(3)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)裝置主要由偏心輪(7 )、電機(jī)和減速器構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要由曲柄(6)和連桿(5)連接組成，所述曲柄(6)與所述驅(qū)動(dòng)裝置相連，所述連桿(5)與葉片限位裝置相連。
9.一種用權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述試驗(yàn)裝置對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行疲勞測(cè)試的試驗(yàn)方法，包括以下步驟: (1)依據(jù)計(jì)算的疲勞載荷確定疲勞載荷的合力方向作為葉片的安裝方向，根據(jù)安裝方向?qū)⒋郎y(cè)試葉片(8)的葉根部固定安裝于所述試驗(yàn)基座(9)上； (2 )根據(jù)疲勞載荷大小，通過有限元方法和試驗(yàn)方法確定加載部位的撓度變形，再依據(jù)撓度變形和疲勞載荷大小設(shè)計(jì)所述葉片限位裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的尺寸大??； (3)設(shè)計(jì)并確定待測(cè)試葉片(8)的加載部位，并通過所述葉片限位裝置限制待測(cè)試葉片(8)的加載部位在特定范圍內(nèi)位移；安裝葉片限位裝置時(shí)使待測(cè)試葉片(8)的加載方向與位移方向一致； (4)調(diào)試加載設(shè)備，配平試驗(yàn)區(qū)內(nèi)葉片(8)的重力荷載，再調(diào)節(jié)葉片的撓度變形直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求，然后開始疲勞試驗(yàn)； (5)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，使驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)、并進(jìn)而帶動(dòng)葉片限位裝置和待測(cè)試葉片(8)在所述特定范圍內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；通過位移傳感器監(jiān)測(cè)并控制待測(cè)試葉片(8)的位移，以實(shí)現(xiàn)設(shè)定疲勞荷載下的葉片性能測(cè)試；每間隔一段時(shí)間測(cè)試葉片的剛度衰減情況，并根據(jù)剛度衰減情況重新調(diào)整加載裝置，繼續(xù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的試驗(yàn)方法，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)裝置主要由偏心輪(7)、電機(jī)和減速器構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測(cè)試試驗(yàn)裝置，包括用于固定葉片葉根部的試驗(yàn)基座和用于給葉片葉面加載的加載裝置，加載裝置包括驅(qū)動(dòng)裝置、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和葉片限位裝置，驅(qū)動(dòng)裝置通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)與葉片限位裝置相連，葉片限位裝置為一限制待測(cè)試葉片的加載部位在特定范圍內(nèi)位移的限位裝置。該試驗(yàn)裝置對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行疲勞測(cè)試的試驗(yàn)方法包括先根據(jù)安裝方向?qū)⑷~片固定，然后依據(jù)撓度變形和疲勞載荷大小設(shè)計(jì)相關(guān)構(gòu)件尺寸；再確定加載部位，調(diào)試加載設(shè)備，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置使其帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)及葉片等作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；通過位移傳感器監(jiān)測(cè)并控制葉片位移，以實(shí)現(xiàn)葉片性能測(cè)試。本發(fā)明具有試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)成本低、試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確科學(xué)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N3/32GK103245576SQ20131015221
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者彭超義, 靳交通, 曾竟成, 邢素麗, 馮學(xué)斌, 肖加余 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)