风机叶片双轴液压作动器疲劳加载装置设计.pdf

2 O l 5年 2月 第 4 3卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAU 『 L I C S F e b． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 4 D 0I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． 1 S S r 1 ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 3 9 风机叶片双轴液压作动器疲劳加载装置设计 廖高华 ，乐韵斐 ，王临春 1 ．南昌工程学院，江西南昌 3 3 0 0 9 9 ；2 ．同济大学机械工程 学院，上海 2 0 1 8 0 4 摘要设计了双轴液压作动器叶片疲劳加载装置。对翼面向和翼弦向运动耦合问题进行分析，设计加载装置的液压系 统，按照工作周期能量守恒原则，进行作动器性能参数匹配，采用蓄能器作为辅助动力源，模糊 自整定 P I D参数对作动器 进行控制。试验结果表明在翼面向振幅维持阶段，液压作动器加载装置能很好地捕捉叶片共振点，并逐步达到共振峰值 且维持峰值变化率在试验要求的误差范围内 5 ％ ，达到了较好的控制效果。 关键词 疲劳试验；作动器；两轴加载 ；风机叶片 中图分类号 T H1 2 2 文献标志码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 4 1 2 6 3 De s i g n o f W i n d Tur b i n e Bl a d e Dua l - a x i a l Hy dr a u l i c Ac t ua t o r Fa t i g u e Lo a d i ng De v i c e L I AO Ga o h u a ，L E Yu n f e i ，W ANG Li n c h u n 1 ． 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 ， N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 9 9 ，C h i n a ；2 ． T o n al 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 A wi n d t u r b i n e b l a d e f a t i g u e l o a d i n g d e v i c e d r i v e n w i t h t h e h y d r a u l i c a c t u a t o r w a s d e s i g n e d ． T h e k i n e ma t i c a l c o u p l i n g b e t we e n fla p wi s e a n d l e a d l a g l o a di ng d e v i c e s wa s a n a l y z e d a n d h y dr a ul i c s ys t e m f o r l o a di ng de v i c e wa s de s i g ne d．Ac c o r d i n g t o t he p r i n c i p l e o f wo r k i n g c y c l e e n e r g y c o n s e r v a t i o n，t h e a c t u a t o r p e r f o r ma n c e p a r a me t e r s ma t c h i n g w a s c a r r i e d o u t ． Us i n g a c c u mu l a t o r a s a n a u x i l i a r y p o we r s o u r c e， t h e f u z z y s e l f - t u n i n g P I D p a r a me t e r s we r e u s e d t o c o n t r o l t h e a c t u a t o r ． T e s t r e s u l t s s h o w t h a t h y d r a u l i c a c t u a t o r l o a d i n g d e v i c e ca n we l l c a p t u r e t he b l a de r e s o n a n c e p o i n t ，a n d g r a du a l l y a c hi e v e t he r e s o n a n c e pe a k a n d ma i n t a i n p e a k r a t e o f c ha n g e i n t h e e r r o r r a n g e o f t h e t e s t r e q u i r e m e n t 5 ％ ， S O a b e t t e r c o n t r o l e f f e c t i s a c h i e v e d ． Ke ywor ds Fa t i g ue t e s t ； Hy dr a ul i c s a c t ua t o r ； Du a l a x i a l l o a di ng； W i n d t ur b i ne b l a d e 叶片是 风力 发 电机组 的关 键 部件 ，在 风机 运行 过程 中叶片要承受较 大的风 载荷 。 目前 的大型 风 力机 叶片 大部 分采 用玻 璃纤 维 复合 材料 ，风力 机 叶 片使用寿命主要取决于疲劳寿命 。导致疲劳破坏 的不确定 因 素很 多 ，疲劳 性 能很难 单 纯依 赖计 算 得 到 ，只有进行 全 尺寸 叶 片 的疲劳 测试 才 能提供 对 设 计的可靠确认 。通过疲劳试验可检验叶片的结构 、 铺层 和粘接设计是否合理 ， 是否 能达到预设计 的叶片 使用年 限 ，同 时也 可发 现在 叶 片生产 制 造过 程 中 的 一 些制造 缺 陷。 国际上 风 电研究 发达 国家 的相关 科 研 机构大都 建有 大 型 叶片检 测 与试 验平 台 ，开 展试 验研究工作 。5 M W 以上的大型风力 发 电机组 是我 国 和世界发达 国家未 来几 年 的发 展趋 势 ，对 于此 类 新 设计 、新工艺 、新材料的风机叶片 ，全尺寸疲劳试 验 是保证叶片质量和寿命的关键一环。通过疲劳试验， 可 以将检 测数 据 与设 计数 据进 行 比较 ，以掌 握 叶 片 的疲 劳性 能 ，并 且 可 以利用 检测 结果 改 进 与优 化 叶 片结构设 计 。文 中设 计 了双 轴液 压作 动 器加 载 装 置 的加 载系统 ，可 实现风 电叶片疲 劳加 载试验 ，获得 叶 片疲 劳试 验 数据 ，为更 加深 入研 究 风机 叶片 的性 能 打下了基 础。 1 双轴液压作动器加载装置 双轴液压作动器加载装置如图 1 所示 ，翼 面向加 载系统 中作 动 器 的活塞 杆 与试 验夹 具 固定 安装 ，缸 筒和配重块 沿 着导 轨作 上 下运 动 ，产 生 近似 正弦 曲 线 的惯性力 ，带动 叶片沿翼面 向运动 。翼弦 向加载系 统通过偏心 轮带 动连 杆 机构 按 照逆 时针 方 向作 周期 运动 ，产生近似余弦曲线的翼弦向作用力 ，带动叶片 沿翼 弦向运 动。翼 面向与翼 弦向作用力 的耦合 ，使试 验载荷更接 近于实 际工况 。 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 - 3 1 作者简介廖高华 1 9 7 8 一 ，男，在读博士，副教授 ，从事机电液控制的研究工作。E ma i l w f m 一 7 7 1 6 3 ． c o n。 第 4期 廖高华 等风机叶片双轴液压作动器疲劳加载装置设计 1 2 7 图 1 双轴液压作动器加载装置 2翼弦向、翼面向加载运动分析 铰点 M 位置方程 』 L l C O S -0 1 t 0 - 1 【 Y l l s i n ∞ l 1 铰点 Ⅳ位置方程 』 t c 。 s ∞ t z c 。 s t 一 z 2 【 Y 2 1 s i n 0 3 l f 1 2 s i n 1 f 一 ∞ 2 f 1 令 p 一， l，0 掣 ， L h 厶 p L 两轴加载 叶片的运 动轨迹 r l C O S D l f 1 2 c o s ∞l t t O 2 f 1 { Y o P ． ， 、 3 l Y 二 二 s i n O 3 t 一 2 J 【 、 式 中￡ 为偏 心距 O M， 为偏 心 轮 角速 度 ， 。 为 偏心轮初相位；L 为连杆机构 MN，∞ 为连杆机构相 对于 O E转动角速度；m为系统质量，C 为阻尼 ，k为 刚度， ， 为作动器激振频率 ； 为作动器 A的惯性 力 ， 为作动 器 B的惯 性力 。 3 双轴液压作动器加载液压系统设计 3 ． 1 液 压 系统原 理设 计 双轴液压作动器加载液压系统采用比例阀调速， 系统主要通过进 油路上 两个高性能伺服 比例阀来实 现 两个作动器在不等振幅条件下同步的上下运动 ，从而 带动风电叶片在翼面向等幅运动。其原理图如图 2 所 示 。该系统主要 由油箱 、过滤 器 、变 量 泵 、联 轴器 、 电机 、单 向阀、电磁溢 流 阀 、电液换 向阀 、蓄 能器 、 开关阀、伺服比例阀、作动器等液压元器件组成。整 个加载过程可分为 3 个阶段 蓄能器充油阶段 、叶片 起振阶段和叶片振幅维持阶段，液压系统真值表如表 1所示 。 工 l ～油箱 2 过滤器 3 变量泵 4 _ 联轴器 卜 电机 6 一单向阀 7 一电磁溢 流阀 8 一电液换向阀 9 _ _ 蓄能器 l 哪关阀 u伺服比例阀 l 2 作动器 图2 双轴液压作动器加载系统液压原理图 表 1 液压 系统真值表 3 ． 2 液压 系统主要参数计算 1 作动器参数 匹配。线性阻尼力在定常振动 条件下一个周期 内所做 的功 为 AW，作 动器一 个工作 循环补充能量为 A E 。对整个系统而言，维持等幅振 动，作动器一个工作循环补充的能量应等于系统耗散 的能量 ，即 △ E AW。由 A W 2 竹 ，△ E 1 T s F o s i n ，得