风电叶片车辆运输装备液压减振特性研究.pdf

2 0 1 5年 8月 第 4 3 卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUUCS Au g ． 2 01 5 Vo 1 ． 43 No ． 1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 5 ． 0 3 3 风电叶片车辆运输装备液压减振特性研究 廖 高华 ，蒋航 1 ．南昌工程 学院机械与电气工程 系，江西南昌 3 3 0 0 9 9 ； 2 ．同济大学机械与能源工程学院，上海 2 0 1 8 0 4 摘要针对风电叶片新型液压机构运输装备，在对运输系统简化的基础上，建立了牵引车、运输装备和叶片之间的数 学模型，数值分析系统振动能量传递、装备的蓄能器刚度与节流阀阻尼 ，考虑叶片运输状态的模态，得到运输装备模型基 本参数，仿真分析系统路谱激励下振动加速度以及蓄能器容量影响。结果表明蓄能器刚度、节流阀阻尼是影响系统性能 的主要参数，选择最优的节流孔直径和蓄能器容量及预充压力，在输入激励频率大于固有频率 倍时 ，振动传递率小于 0 ， 叶片振动加速度明显降低，叶片相对于静平衡位置偏移的振动位移减小 ，系统减振性能有较大的改善。 关键词 风 电叶片运输 ；数学模型 ； 液压机 构 ； 半主动减振 中图分类号U 4 6 9 ． 6 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 5 - 1 3 1 - 4 S t ud y o f Hy dr a u l i c Vi br a t i o n Co n t r o l Cha r a c t e r i s t i C S o f W i n d Tur b i ne Bl a d e Ve hi c l e Tr a ns po r t a t i o n Equ i p m e n t UA0 Ga o h u a ．J I ANG Ha n g 1 ． D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， N a n c h a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Na n e h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 9 9，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d E n e r gy S o u r c e E n g i n e e r i n g ， T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t h e n e w w i n d t u r b i n e b l a d e t r a n s p o r t a t i o n e q u i p me n t w i t h h y d r a u l i c me c h a n i s m ，t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l wa s e s t a b l i s h e d b e t we e n t r a c t o r ，t r a n s p o r t a t i o n e q u i p me n t a n d b l a d e ．S y s t e m v i b r a t i o n e n e r g y t r a n s f e r ，a c c u mu l a t o r s t i f f n e s s a n d t h r o t t l e v alv e d a mp i n g o f t h e e q u i p me n t w e r e a n a l y z e d n u me r i c a l l y ．B y c o n s i d e r i n g mo d al o f b l a d e t r a n s p o r t a t i o n s t a t e， t h e b a s i c p a r a me t e r s o f mo d e l of t h e e q u i p me n t w e r e g o t t e n ． T h e s y s t e m e f f e c t u n d e r t h e r o a d e x c i t a t i o n o f v i b r a t i o n a c c e l e r a t i o n a n d t h e a c c u mu l a t o r v o l u me w a s a n aly z e d wi t h s i mu l a t i o n ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a c c u mu l a t o r s t i f f n e s s ，d a mp i n g t h r o t t l e v alv e a r e t h e ma i n p a r a me t e rs t h a t i n f l u - e n c e t h e s y s t e m p e rfo r man c e ． Op t i ma l s e l e c t i o n d i a me t e r o f t h r o t t l e h o l e ，t h e a c c u mu l a t o r v alu me a n d p r e c h a r g e p r e s s u r e ，a n d w h e n t h e i n p u t f r e q u e n c y i s gre at e r t h a n√ 2 t i m e s of t h e n at u r al f r e q u e n c y ， v i b r a t i o n t r a n s m i s s i o n r a t e i s l e s s t h an 0 ， a n d v i b r a t i o n a c c e l e r a t i o n o f t h e b l a d e i s d e c r e a s e d s i g n i fi c a n t l y ． V i b r a t i o n d i s p l a c e me n t of p o s i t i o n o f f s e t o f s t a t i c b ala n c e r e l a t i v e t o b l a d e i s r e d u c e d ，a n d v i b r a t i o n c o n t r o l pe r f o rm a n c e o f t he s y s t e m i s g r e a t l y i mpr o v e d． Ke y wo r d sWi n d t u r b i n e b l a d e t r a n s p o r t ；Ma t h e ma t i c al mo d e l ；Hy d r a u l i c me c h a n i s m；S e mi - a c t i v e v i b r a t i o n c o n t r o l 0前 言 大型风 电机组机 叶片有超长 、超重 、柔性易损等 特点 ，车辆运输时叶片长度通常超过了一般特种运输 的限制范 围 ，尤其是超高超宽 的根部带来 了巨大 的困 难 ，叶片的运输问题 日益凸现 。由于风能资源丰 富的地区都比较偏远 ，道路情况恶劣，叶片在运输过 程 中可能会 由于路 面的颠簸 ，导致 叶片 出现不可逆 的 损伤 ，当路面激励的频率接近叶片本身的固有频率 时，可能还会导致叶片共振。车辆运输叶片时新型运 输装备需提供动力和减振功能 ，通过调整叶片姿态顺 利跨越障碍物、穿过隧道等限高路段；在路面颠簸或 路况较差时，运输装备减振系统可以起到缓冲作用， 保护叶片。国外对大型叶片车辆运输设备研究使用有 D D M、西 门子 及 V e s t a s等公 司 ，针 对不 同尺 寸 叶片 均有不同运输形式的运输方案。国内运输设备主要由 华锐风电和金风科技等厂家设计配套使用，适用于中 小型风机 叶片的运输 ，道路通过性和叶片保护措施较 差 ，难以适应超大型风机叶片的车辆运输。液压减振 器在 汽车上应用十分广泛 ，目前 ，半主动悬架大部分 是通过改变减振器 的阻尼实现悬架性能调节 。 基 于上述原 因 ，文 中研究 了风 电叶片新型运输的 方案 ，提出液压机构运输装备，结合油气悬架便于控 制的优点 ，考虑叶片运输状态的模态，在液压系统中 增加蓄能器、节流阀和控制单元组成半主动减振系 统。通过分析其结构和工作原理 ，建立叶片车辆运输 系统 数学模 型 ，并对 比理论分析 和仿真研究 的结果 。 1 运输装备结构 风电叶片新 型运输结构 由牵 引车、液压机构运输 装备 、叶片以及后车组成如图 1 所示。支撑连接装置 主要 包括法 兰 与叶片根部连 接 、液压 系统 、底部 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 6 - 1 9 作者简介廖高华 1 9 7 8 一 ，男，博士研究生，副教授，从事机电液控制的研究工作。E - ma i l w f m _ 7 7 1 6 3 ． c o n。 1 3 2 机床与液压 第4 3卷 连接杆和铰接基座等，实现连接前车与叶片根部、 所示。 支撑叶片、传递牵引力和调节叶片端部的姿态以配合 运输要求。同时，在路面颠簸或路况较差时，运输系 统减振 。 图 1 叶片车辆运输结构 运输装备液压系统包括泵站系统、液压缸升降系 统和减振系统 ，系统原理如图 2 所示。 l 一油箱 2 一滤油器 3 一齿轮泵 4 一直流电机 5 一单向阀 6 一压力表 7 一先导溢流阀8 一电磁换向阔 9 一背压阀 1 0 - - 三位三通电磁阀 l l 一两位兰通电磁阀 l 鲁 一三位四遇电磁阀 l 3 一蓄能器 1 4 一珠阀 l 5 一可调式节流阀l 6 一液控单向阀 1 7 一单 向节流阀l 8 一液压缸 图2 运输装备液压系统原理图 在避免障碍物干涉时 ，叶片姿态调整 升降 通过电磁换向阀 1 2控制液压缸 1 8的伸缩。在颠簸路 面上行驶状态下，球阀 1 4 ． 2打开，蓄能器 1 3 ． 2 、节 流阀 1 5和液压缸 1 8 A腔室构建成油气弹簧的减振系 统。运输过程中，通过调整节流阀 1 5开度和蓄能器 l 3的预充压力和容积，充分的利用油气弹簧的弹性 阻尼特征，蓄能器作用缓冲，减小振动加速度。 2 系统建模与分析 2 ． 1 系统整体模型建立 、 对叶片的固有频率很低 ，但是由于叶片运输车的 行驶速度的不确定，当实际路面振动频率带较低时， 叶片发生共振的几率将会大大增加。结合叶片运输实 际情况，采用主动减振作动器安装直接作用于叶片， 将作动器布置于叶片和牵引车之间。在液压系统中增 加蓄能器、节流阀和控制单元即可组成半主动液压减 振系统 。建立叶片运输体系整体数学模型，如图 3 图 3 系统运输状态简化模型 叶片运输系统的微分方程如下 r m1 1 c 1 1 一 q l l q 一 c 2 X 2 -- X 1 一 2 X 2 - x 1 0 { ，n 2 2 c 2 2 一 1 2 2 -- 1 一 c 3 R 73 -- 2 一 k 3 3 -- 2 0 【，孔 互 。 c ， ， 一 一 0 1 式中m 为牵引车质量 ；k 和 c 。 为牵引车悬架的刚 度和阻尼；m 为运输适配装置和连接法兰质量；k 和 c 为蓄能器油气弹簧 的当量刚度和阻尼 ；m ， 、k 和 O 分别为叶片模型的当量质量、刚度和阻尼；q 为 路面的位移激励。 2 ． 2 振动能量传递分析 对 6 MW 的风 电叶 片长 7 5 m，质量 G 3 3 t ，叶 根圆直径 3 ． 8 m，重心位置与叶片端部距离约为 2 2 m，靠近叶尖的支撑点取叶片长度的 2 ／ 3处，即与叶 片端部距离 Is 。 5 0 m，利于叶片放置时均分挠曲。综 合液压缸的推力和行程等情况 ，选取底杆的长度为 L 2 ． 5 m，侧杆的长度为 L 1 ． 5 m。计算液压缸的 推力为 4 0 t ，行程为 S 8 0 0 m m，查阅机械设计手册 选择液压缸型号，对运输装备主要部件进行受力校核 设计要求 。由于叶片的制造工艺和材料所致 ，叶片具 有较大的柔性，因此将叶片看成弹性元件。将后车高 度近似看成静止，考虑叶片运输状态的频率，运用邓 柯莱法 计算叶片在系统中的当量质量和刚度。运输 系统模型参数如表 1 。 表 1 模型参数 I 叶片当量质量 m ／ k g 叶片当量刚度 k 3 ／ N m 叶片当量阻尼 c 3 ／ N 8 m 运输适配器质量 m 2 ／ k g 油气弹簧刚度 k 油气弹簧阻尼 c 牵引车质量 m ／ k g 牵引车悬架刚度 |j} ／ N m 牵引车悬架阻尼 c J N s m 将表 1中基本参数代入式 1 中，求解可得激 励能量从牵引车轮胎传递至叶片的振动总传递率 ，包 括叶片连接法兰经过叶片至当量质量中心、牵引车至 一 一 一 一 能 链 一 一 一 第 1 5期 廖高华 等风电叶片车辆运输装备液压减振特性研究 1 3 3 叶片连接法兰和路面至牵引车身的振动传递率。 ⋯ X 3 G 0 s ⋯ c ～ Q 酉 酉 其中G 0 s 3 ． 8 s 4 6 4 0 2 s k 2 2 ． 4 5 s 1 9 0 G l s 1 5 ． 1 s 2 ． 4 5 s 1 9 0 s c 2 s k 2 2 s 3 ． 8 s 4 6 4 G 2 5 1 8 5 2 s 3 ． 8 s 4 6 4 2 ． 4 5 s 1 9 0 G 3 s s c 2 s k 2 1 5 ． 1 s 2 ． 4 5 s 1 9 0 G 4 s 1 5 ． 1 s c 2 s k 2 2 ． 4 5 s 1 9 0 取油气弹簧系统的刚度k 为 1 5 0 x 1 0 N ／ m，阻尼 c 2 为 2 0 x 1 0 N s ／ m， 2 和 C 2 代入上述式 2 ，得 到运输系统的总传递率曲线如 图 4所示。由曲线可 知 ，叶片运输系统的固有频率 ，以 为界划分了 增幅区和减幅区 2 个区域。在输入激励频率大于√ 2 时，振动传递率小于0 ，系统的减振性能 良好，几乎 将叶片与路面振动隔离；在输入激励频率小于 ， n 时，振动传递率大于 0 ，即处于振动增幅区，系统的 减振性能较差 ；当输入激励频率为 时，运输系统 振动传递率最大，减振效果最差 ，极易发生共振。 塞 藤 k 2 p P 3 Pp‘A。 运输过程中，由于节流阀作用使得油液通过时产 生阻尼迅速衰减了能量，通过液压系统中节流阀 3的 开度 来调节有效面积 ，建立液压系统阻尼与节流 阀4开度的关系，根据连续性方程得 丽 p A e Q ． eC 2 4 ， 。 【 耳 ‘ c d百 、 式中C 为节流阀流量系数 ；K 为节流阀开度系数 ； P为油液密度；A 为节流孔有效面积；△ p 为节流 孔前后压强差； 为活塞速度； A 为液压缸 A腔面积。 由式 4 可知系统阻尼 c 是随着流量 Q 变化 的变量，非定常数值。在激励幅值不变情况下 ，随着 激励频率增加，节流阀产生阻尼力所对应的阻尼系数 逐渐增大。由前面分析知，阻尼值 C 2 2 k N s ／ m 时，振动传递率最小，系统减振效果最好 ，需要通过 检测液压缸位移来控制节流阀开度 ，使其当量阻尼值 稳定在预期值。 3系统仿真分析 3 ． 1 仿真模 型建立 风电叶片在运输过程中的振动情况较为复杂 ，根 据蓄能器、节流阀的刚度特性与阻尼特性分析可知 ， 油气弹簧的当量刚度系数和阻尼系数均为非定值，利 用 A M E S i m的液压元件模型库，建立符合实际情况的 蓄能器、节流阀和液压缸的模型，并加入叶片简化模 型和牵引车模型，最后得到叶片运输系统的仿真模型 如图 5 所示 ，运输装备液压系统参数如表 2所示。 ⋯⋯⋯- E ] 路 面 输 入 图 5 仿真系统模型图 表 2 模型参数Ⅱ 油气弹簧刚度 k 2 ／ N m 油气弹簧阻尼 c 2 ／ N s m 液压缸活塞直径 D ／ m m 节流阀通径 Dd ／ ra m 蓄能器容积 Q ／ L 蓄能器预充压力P 。 ／ MP a 1 5 0 0 o 0 2 2 0 o 1 8 0 6 5 0 5 莓 机床与液压 第 4 3卷 3 ． 2 系统路谱激励平顺性分析 路面输入信号为 c级公路下时速为 3 0 k m ／ h路谱 的位移激励 ，选取采样频率为 1 0 0 H z 。在路谱位 移激励下 ，振动加速度通过轮胎 、牵引车身和液压系 统传递至叶片，车身加速度曲线如图6所示，车身振 动加速度在 3 m ／ s 的范围内波动。 e ● 旦 越 趟 最 图6 车身加速度曲线 油气弹簧系统减振加速曲线如 图 7所示 ，油气 弹 簧系统减振失效时由于仅靠运输车悬架和叶片本身阻 尼缓解振动能量，减振效果较差 ，稳态时最大振动加 速度为 0 ． 3 0 m ／ s ；采用减振系统时，叶片振动加速 度明显降低 ，最大值为 0 ． 1 0 m ／ s ，车身传递的振动 能量迅速衰减 。从频域图可看 出 ，减振失效时叶片振 动能量集中在共振频率 0 ． 5 6 H z 附近，对应功率 谱密度较大，随着路面的持续激励很可能使叶片发生 共振。采用蓄能器和节流阀的缓冲吸振，改变叶片的 功率谱密度分布，使得叶片的功率谱密度降低。 e ● 邑 寇 瑙 爱 田 ● 暑 熟 时间， s a 加速度时域 图 频率， Hz b 加速度频域图 图 7 振动加速度曲线 3 ． 3 蓄能器容量影响分析 选用不 同容积蓄能器所组成 的油气弹簧系统 ，对 相同的路面激励输入，分析对 比其减振性能的差别。 图 8 a 为 2 0 L蓄能器与 5 0 L蓄能器组成 系统 的加 速度一 频率曲线对 比 ，图 8 b 为 5 0 L蓄能器 与 1 0 0 L蓄能器组成系统的加速度一 频率曲线对 比。可以看 出，相比于 2 0 L蓄能器组成油气弹簧系统 ，5 0 L蓄 能器组成 的系统 中叶片的振动加速度有较大的降 低 ，从频谱上不难看出能量峰值下降了 2 ／ 3左右， i 0 0 L比5 0 L蓄能器系统的峰值有略微的降低。蓄 能器容积的增加会使得运输装置减振性能提高，但 是随着容积的增大，油气弹簧 的当量刚度较小得越 慢 ，系统的振动传 递率减小 越 慢 ，减 振效 果 的 提升 不 显著 。 翟 县 画 馨 N ． 邑 癌 聪 频 率l l t z b 5 0 L 和1 0 0 L 蓄 能器 图 8 叶片振动加速度一 频率曲线 4 结论 1 针对 风 电叶 片新 型运 输 的方案 ，提 出液压 机构运输装备 ，结合油气悬架便于控制的优 点 ，考虑 叶片运输 状态的模态 ，在液压系统中增加蓄能器 、节 流阀组成减振系统 ；建立了牵引车、运输装备和叶片 之间的数学模型，对运输系统振动能量传递 、蓄能器 刚度、节 流阀阻尼数值分析，得到运输 系统模型 参数 。 2 建立了叶片运输系统仿真模型，将激励输 入系统进行模型，仿真分析系统路谱激励下振动加速 度以及得到车身与叶片加速度，叶片振动加速度明显 降低，运输装备油气弹簧减振作用明显，系统减振性 能有较大的改善。对比分析选用不同容积蓄能器所组 成的油气 弹簧 系统 ，对相 同的路面激 励输入 ，对减振 性能的影响，蓄能器容积的增加会提高减振性能，但 随着容积增大 ，减振效果提升不显著 。 下转第 1 4 5页 第 l 5期 肖体兵 等 陶瓷砖压机缸动式伺服顶出机构的建模与分析 1 4 5 1 6 1 4 1 2 1 0 号8 鱼 6 4 2 0 2 2 f ’ ’ f1IV tin71．09S 3 1y-S9．7s73 2 ‘ 2 1 ． 8 8 2 2 。 7 ． 3 3 1 0 2 1 2 -IS2．137 f L一1 【2一1 z1，O9 J 2一1 ，,,-63．764 2 2一0y,62．379 8 时 间， ． O 图3 压力变化的仿真曲线 图4的中曲线 1 是顶出机构顶出和下降的 均 取 1 2 0 0 0时的位置伺服仿真曲线；而曲线 2 是顶出 K p 1 2 0 0 、下降 K p 4 1 0 0时的位置伺服仿真曲线。 可以看出，下降时选用比顶出大一些 的 ，可以使 下降时的性能更好。如果顶出的 也取 4 1 0 0 ，则会 出现振荡。从而也就验证了顶出机构下降时的稳定性 要好于顶出的这一理论分析结论。 。 。 越 。 。 0 ． 0 ． 0 0 。 5 1 ． 0 1 ． 5 时间， ． 图 4 顶出机构的位置伺服仿真曲线 在实际工作过程 中，顶出机构 由插装减压 阀供 油。由于供油不足，导致在顶 出时伺服阀 P口即动 力机构的供油压力低于 1 6 MP a 。根据恒力泰公司提 供的某一次实验数据 ，在匀速顶出和匀速下降时动力 机构的供油压力分别为 1 2 ． 5 、1 6 ． 6 MP a 。根据检测 出的p ， 和P ，可算 出顶 出和下降时的摩擦力分别约 为 5 8 k N、3 8 k N，以及 zi p l 5 ． 4 4 MP a ，Z i p 2 一 8 ． 9 M P a 。将上述供油压力和摩擦力代入式 1 0 、 1 1 可求出 △ p 5 ． 3 5 M P a ，△ p 一 9 ． 4 MP a 。顶 出阶段 压力变化值的理论计算值与实测值非常接近，而下降 时压力变化值有 0 ． 5 MP a 的误差。 将上述供油压力和摩擦力代入式 1 2 可求出 2 ． 7 。当伺服阀的控制电压分别为 5 ． 9 V和一 6 V 时，测出顶出缸顶出和下降的速度之比约为 2 ． 4 。 当然，实验结果也有可能存在测量误差，质量等 数据也不一定绝对准确。总体来讲，实验结果与理论 值还是比较接近的。 5 结束语 A ME S i m仿真结果与理论分析结果的一致性较 好 ，说明了建立的顶出机构的动静态特性数学模型是 准确的。由于存在较大的摩擦力，尽管顶出机构采用 了匹配的非对称阀控制非对称缸，但换向时仍然存在 一 定幅值的压力突变。 而实验的结果与理论计算和仿真结果存在一定的 误差，其原因还有待进一步的研究。 论文成果为顶出机构液压系统的优化及其位置闭 环控制器的设计提供理论依据，对研究缸动式非对称 阀控制非对称缸动力机构具有借鉴和参考价值。 参考文献 [ 1 ]张柏清． 力泰液压 自动压砖机培训教材[ Z ] ． 佛山 力泰 机械有限公司， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 卢长耿 ， 李金 良． 液压控制系统的分析与设计 [ M] ． 北 京 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 3 ]袁哲． 陶瓷砖压机的仿真控制研究与能耗分析 [ D] ． 广 州 广东工业大学， 2 0 1 3 ． [ 4 ]陈开容． 陶瓷砖压机顶出机构的仿真分析和控制研究 [ D ] ． 广州 广东工业大学， 2 0 1 2 ． [ 5 ]江桂云， 王勇勤， 严兴春． 液压伺服阀控缸动态特性数学 建模及仿 真分析 [ J ] ． 四川 大学学 报， 2 0 0 4 ， 4 0 5 1 9 5 -1 9 8 ． [ 6 ]肖体兵． 深海采矿装置智能升沉补偿系统的研究[ D ] ． 广 州 广东工业大学， 2 0 0 2 ． 上接第 1 3 4页 参考文献 [ 1 ] 周卉 ， 邓院昌， 苏锦东． 风机设备运输综述及案例分析 [ J ] ． 电气制造 ， 2 0 1 0 5 5 9 6 1 ． [ 2 ]郭迎福 ， 刘亦 ， 刘厚才， 等． 风机叶片山地运输车辆转弯 半径与 道路 占用 分析 [ J ] ． 公路 与汽 运， 2 0 1 3 4 1 1 1 4 ． [ 3 ]庞俊忠 ， 陈艳玲． 深孔钻削系统扭振动力减振器的优化 设计[ J ] ． 机械设计与研究， 2 0 1 3 ， 2 9 6 5 5 - 5 9 ． [ 4 ] 吴英龙 ， 赵华， 张国刚． 车辆液压减振器设计理论与仿真 [ J ] ． 农业机械学报， 2 0 1 3 ， 4 4 1 2 2 9 - 3 6 ． [ 5 ] 陈无畏， 王其东， 王志君 ， 等． 汽车半主动悬架的非线性 神经网络 自 适应控制研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 0 ， 3 6 1 7 5 - 7 8 ． [ 6 ] 刘延柱， 陈文良， 陈立群． 振动力学[ M] ． 北京 高等教育 出版社 ， 2 o 1 1 ． [ 7 ] 孙涛， 喻凡， 邹游． 油气弹簧非线性特性对车辆平顺性的 影响分析[ J ] ． 汽车技术 ， 2 0 0 4 7 4 - 7 ． [ 8 ] 林茂成 ， 赵济海． G B 7 0 3 1 1 9 8 7 车辆振动输入路面平度表 示方法[ S ] ． 中国标准出版社 ， 1 9 8 7 ．