1 前 言

隨著一次能源日趨枯竭以及不可再生和對環(huán)境造成嚴重污染等世界性問題的不斷產(chǎn)生，為了尋找可替代能源，世界各國在這方面都投入大量的人力與物力，做了大量的研究工作。比如，對太陽能、潮汐能、風(fēng)能等這些可再生能源的開發(fā)與應(yīng)用。

我國的風(fēng)能利用是從“七·五”起開始進行研究工作，由于受當(dāng)時的技術(shù)條件限制，只研制了一些小型風(fēng)力機，容量也就是幾十瓦到幾百瓦。從“八·五”起我國政府投入大量資金，要求提高對風(fēng)能利用，對風(fēng)力機進行大型化的研制開發(fā)，主要研制容量為幾百千瓦到幾兆瓦級的風(fēng)力機機組。

我院作為項目主要研制單位之一，承擔(dān)了對風(fēng)力機葉片、導(dǎo)流罩、機艙罩等研制工作。其中以風(fēng)力機葉片為主，對其進行了大量的研究，如氣動性能、力學(xué)性能等。

因為玻璃鋼葉片作為主要的受力件，既要求重量輕，又要求有足夠的受力強度，所以一般采用空腹、主梁加外殼的剖面形式。大型風(fēng)力機玻璃鋼葉片設(shè)計的一個很重要方面是疲勞強度分析[2]。葉片使用壽命大于20年，在整個使用期間，葉片受到各種外界環(huán)境及風(fēng)載荷的組合影響：陣風(fēng)、湍流、風(fēng)剪、斜風(fēng)、偏航、起動剎車、重力與慣性力、冰雪載荷等，其中有確定性載荷和隨機的載荷，葉片載荷較復(fù)雜。疲勞分析通常采用確定性的和隨機的方法，既要通過復(fù)雜計算確定，還必須對玻璃鋼葉片進行各種受力試驗，其中包括疲勞試驗。而不同的試驗對其試驗設(shè)備也有著相應(yīng)的要求。

玻璃鋼葉片又受到風(fēng)電機組的制約，也就是說葉片必須要與風(fēng)電機組相匹配。在風(fēng)力發(fā)電機組容量增大后，其相匹配的葉片長度、受風(fēng)面積也相應(yīng)擴大，葉片的單片長度發(fā)展到約為三十幾米到五、六十米，葉展直徑可達七、八十米至一百多米。為了保證設(shè)計可靠性，必須對葉片做1:1的結(jié)構(gòu)試驗，其中包括構(gòu)件的疲勞試驗，迫振交變次數(shù)往往要達5×108以上，所以要求試驗用加載設(shè)備必須具備連續(xù)性、大載荷、高可靠性等特點，以滿足試驗需要。

2 試驗設(shè)備選配

圖1所示對玻璃鋼葉片所做的結(jié)構(gòu)迫振交變疲勞試驗時的固定方式、加載位置和加載方向及受力時的運動方向。

　　圖1 葉片迫振受力及運動方向示意圖

葉片以懸臂梁形式固定于剛性體上，葉梢扭角呈水平面安裝，并在近梢尖處加上交變力“P”，進行振動測試與疲勞試驗。

葉片的疲勞試驗，其根端所受力矩一般可達到20t·m～>100t·m以上，力學(xué)理論[3]上認為在“P”點加上一個很小的力，只要該物體進入共振狀態(tài)，對于無阻尼系統(tǒng)，那這個力就會無限放大。其計算公式：

(1)

式中ωp為激振頻率，ωn為自振頻率，uo為靜位移，up 為動位移。

無阻尼特性曲線見圖2。

　　圖2 無阻尼特性曲線

但在工程上存在著諸多因素，比如結(jié)構(gòu)件的連接剛性，構(gòu)成結(jié)構(gòu)件材料等，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在阻尼。當(dāng)在“P”點上加載一個恒定的交變力，并且加載頻率與葉片的固有頻率接近或一致時，葉片產(chǎn)生共振，但由于阻尼的存在，葉片的變形不會無限大。

阻尼計算公式：

(2)

式中

為阻尼比，ωp為激振頻率，ωn為自振頻率，uo為靜位移，up為動位移。

其特性曲線見圖3。

　　圖3 無阻尼特性曲線
 

 

      在做小型結(jié)構(gòu)件振動試驗時，用電磁激振器給試件加載方法，由于受試驗設(shè)備技術(shù)條件的限制，其最大輸出功率只有100Kg/m，最大交變行程為±50mm，且受到電子功率放大器限制，根本不能長時間工作。根據(jù)對大型玻璃鋼葉片的試驗要求必須要有能做長期疲勞試驗的設(shè)備，在確定試驗方案前，首先要對試驗設(shè)備進行可行性認證，擬定了幾種方案：

(1)引進或國內(nèi)定制專用設(shè)備;

(2)用液壓激振系統(tǒng)加載;

(3)用直流調(diào)速驅(qū)動偏心輪激振。

以上三種方案優(yōu)點：加載穩(wěn)定，設(shè)備專業(yè)性強，加載精度高。但如液壓控系統(tǒng)復(fù)雜，安裝調(diào)試不方便，引進或定制專用設(shè)備費用昂貴，且設(shè)備的互用性差，這些設(shè)備往往在產(chǎn)品的開發(fā)期間使用，項目一旦完成，產(chǎn)品轉(zhuǎn)入產(chǎn)業(yè)化后，有許多試驗設(shè)備將被閑置，造成產(chǎn)品開發(fā)研制成本較高。

通過對有關(guān)試驗設(shè)備的調(diào)研及查閱相關(guān)資料后，最終選用了變頻調(diào)速驅(qū)動偏心輪方法。

3 技術(shù)準備

根據(jù)材料力學(xué)中的共振理論，任何振動物體都存在著阻尼現(xiàn)象，為了克服阻尼維持共振，就必須對該物體不斷加力以維持共振。假設(shè)葉片迫振為一個單自由度彈性系統(tǒng)。電機轉(zhuǎn)子的角速度為p，由于偏心而引起的慣性力為H，其鉛垂分量Hsin pt是一個隨時間作周期性變化的激振力。在周期性變化的激振力作用下，玻璃鋼葉片將發(fā)生受迫振動。可根據(jù)理論力學(xué)中單自由度彈性系統(tǒng)受迫振的公式計算。

靜位移計算公式：

(3)

式中，C為玻璃鋼葉片的剛度，Δst為P作用下的靜位移。

玻璃鋼葉片的固有頻率計算公式：　　

(4)

共振時電動機的臨界轉(zhuǎn)速計算公式：

(5)


在共振情況下，激振頻率與玻璃鋼葉片的固有頻率相等，即

(6)

考慮阻尼情況下的共振時放大系數(shù)計算公式為：

(7)

動荷系數(shù)為：

(8)

式中，H為慣性力，P為靜載荷重量。

根據(jù)玻璃鋼葉片在激振力H sin pt作用下，在靜平衡位置發(fā)生受迫振動，其振幅計算公式：

B=βΔH (9)

式中，ΔH為將慣性力H作為靜載荷加在玻璃鋼葉片上時的靜位移。

求得所需B值與共振時電動機的臨界轉(zhuǎn)速ncr值，再計算電動機軸上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩與功率[4]。

電動機軸上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩

(10)

式中，Md為動態(tài)(加減速)轉(zhuǎn)矩，MD為電動機轉(zhuǎn)矩，Ml靜阻負載轉(zhuǎn)矩，GD2=4J，N為轉(zhuǎn)速，g為重力加速度。

電動機功率計算公式：

      式中，nD為電動機轉(zhuǎn)速。

與變頻器相匹配時還應(yīng)考慮以下因素：

(1)與斬波頻率有關(guān)的鐵損[5]，由下式顯見，鐵損是頻率與

磁通的函數(shù)，其表達式為

(12)

式中，ε、σ為由鐵芯的材料、厚度等決定的常數(shù);B為鐵芯的磁通密度;f為頻率。

另一方面，作為通用變頻器一般方式的PWM變頻器，其輸出波形中含有斬波頻率，與基波相比電壓分量小，但頻率高，因此給電機供電時就產(chǎn)生相當(dāng)大的鐵損。

(2)防止低頻下的轉(zhuǎn)矩減小，對于V/F的控制方法，在頻率低的范圍由于電機定子電阻r1的壓降電機氣隙磁通減少，因而轉(zhuǎn)矩下降，如圖四中虛線所示，通常補償電阻產(chǎn)生的壓降補償變頻器輸出電壓，圖四實線所示，則可得到接近圖五中實線的轉(zhuǎn)矩特性。

(3)電機溫升問題，由于電機的溫度每升高10℃則壽命減半，由此可以理解溫升是一個非常重要的問題，引起溫升主要有：

① 高次諧波引起的損耗增大。

② 低速運轉(zhuǎn)時冷卻效果降低。

由于做疲勞時電機處于長期低速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，靠自身風(fēng)葉冷卻肯定無法滿足需要，但葉片在試驗時是作垂直上下運動(振幅可達±200～400cm左右)，從而會產(chǎn)生擾動氣流，正好利用擾動氣流幫助冷卻電機。試驗以后的冷卻效果還不錯。

通過計算，兆瓦級風(fēng)力機葉片疲勞試驗用電機容量為15.0kW，四極電機，曲柄質(zhì)量270kg，質(zhì)心距離旋轉(zhuǎn)中心446mm,力矩1204N/m，選用愛默生EV200-4T0185G1恒轉(zhuǎn)矩變頻器。