專利名稱：風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測試試驗裝置及試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)電葉片的性能測試裝置及測試方法，尤其涉及一種風(fēng)電葉片的疲勞測試裝置及測試方法。
背景技術(shù)：
葉片是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的關(guān)鍵部件。疲勞測試試驗是風(fēng)力發(fā)電葉片在設(shè)計、定型、生產(chǎn)過程中重要的測試試驗，葉片的設(shè)計壽命是20年，通過疲勞測試試驗可確定風(fēng)電葉片能否在設(shè)計壽命期間內(nèi)安全地工作。在整個風(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算得到，也可用測試方法得到。在疲勞試驗過程中，為了在可接受的時間內(nèi)完成試驗，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，液壓加載準確、可靠，但價格昂貴，成本太高，共振法加載成本低但誤差大，試驗不易控制，且只能滿足一個方向加載。如何改進現(xiàn)有的風(fēng)電葉片疲勞加載方法，進而為風(fēng)電葉片性能提供更加準確、可靠和經(jīng)濟的性能檢測數(shù)據(jù)和預(yù)報，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，提供一種試驗結(jié)果準確可靠、試驗成本低、結(jié)構(gòu)簡單的風(fēng) 力發(fā)電葉片疲勞測試試驗裝置，還相應(yīng)提供一種試驗周期短、試驗成本低、試驗結(jié)果準確科學(xué)的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測試試驗方法。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)電葉片疲勞測試試驗裝置，包括用于固定葉片葉根部的試驗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)動裝置、曲柄連桿機構(gòu)和葉片限位裝置，所述驅(qū)動裝置通過曲柄連桿機構(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)電葉片疲勞測試試驗裝置中，所述特定范圍內(nèi)位移可以不作嚴格的限制，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)電葉片疲勞測試試驗裝置中，所述直線位移的方向同樣并無嚴格限制，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)電葉片疲勞測試試驗裝置中，所述葉片限位裝置優(yōu)選包括限位基架和使待測試葉片的加載部位能在限位基架內(nèi)滑動的工裝(工裝與限位基架相互配合)，所述工裝與所述曲柄連桿機構(gòu)的自由端相連(曲柄連桿機構(gòu)的另一端則連接驅(qū)動裝置)。上述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測試試驗裝置中，所述工裝優(yōu)選的結(jié)構(gòu)形式是由兩定位組件對接而成，兩定位組件的對接部位開設(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的軌道。上述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測試試驗裝置中，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)電葉片疲勞測試試驗裝置中，優(yōu)選的，所述驅(qū)動裝置主要由偏心輪、電機和減速器構(gòu)成。上述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測試試驗裝置中，優(yōu)選的，所述曲柄連桿機構(gòu)主要由曲柄和連桿連接組成，所述曲柄與所述驅(qū)動裝置相連，所述連桿與葉片限位裝置相連。作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種用上述試驗裝置對風(fēng)力發(fā)電葉片進行疲勞測試的試驗方法，包括以下步驟:
(I)依據(jù)計算的疲勞載荷確定疲勞載荷(揮舞和擺振兩個方向)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試葉片的葉根部固定安裝于所述試驗基座上；
(2 )根據(jù)疲勞載荷大小，通過有限元方法和試驗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)計所述葉片限位裝置、驅(qū)動裝置、曲柄連桿機構(gòu)的尺寸大??；
(3)設(shè)計并確定待測試葉片的加載部位(一般可依據(jù)試驗標(biāo)準和經(jīng)驗確定試驗區(qū)域和加載部位)，并通過所述葉片限位裝置限制待測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使待測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到設(shè)計要求，然后開始疲勞試驗；
(5)啟動驅(qū)動裝置，使驅(qū)動裝置帶動曲柄連桿機構(gòu)、并進而帶動葉片限位裝置和待測試葉片在所述特定范圍內(nèi)作往復(fù)運動；通過位移傳感器控制待測試葉片的位移，以實現(xiàn)設(shè)定疲勞荷載下的葉片性能測試。每間隔一段時間測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)進行疲勞試驗`。上述的試驗方法中，所述驅(qū)動裝置優(yōu)選主要由偏心輪、電機和減速器構(gòu)成。本發(fā)明的上述技術(shù)方案主要基于平面連桿機構(gòu)設(shè)計和運動原理，通過旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動裝置(優(yōu)選如偏心輪)帶動一曲柄連桿機構(gòu)對葉片進行循環(huán)加載，并通過葉片限位裝置的作用強迫葉片按設(shè)計的軌跡運動，該曲柄連桿機構(gòu)可以滿足正弦變化的速度特性，同時可實現(xiàn)揮舞方向和擺振方向兩個方向的同時加載。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測試試驗裝置和試驗方法，能同時滿足揮舞和擺振兩個方向上的疲勞載荷，本發(fā)明的試驗裝置和試驗方法不僅能準確地控制葉片位移變化，而且可以更好地保證風(fēng)電葉片疲勞試驗的準確性、科學(xué)性，且節(jié)約了試驗周期；相比于其他的液壓等其他的普通驅(qū)動方式，本發(fā)明也大大降低了試驗成本，為工業(yè)應(yīng)用和推廣提供了良好的條件。


圖1為本發(fā)明實施例中葉片在豎直方向進行疲勞試驗時的加載原理示意圖。圖2為本發(fā)明實施例中葉片在水平方向進行疲勞試驗時的加載原理示意圖。圖3為本發(fā)明實施例中葉片試驗平臺示意圖。圖4為本發(fā)明中葉片在揮舞方向的動作示意圖。圖5為本發(fā)明中葉片在擺振方向的動作示意圖。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、試驗基座。
具體實施例方式以下結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。實施例:
如圖1 圖3所示，一種本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測試試驗裝置，包括用于固定葉片8葉根部的試驗基座9和用于給葉片8的葉面加載的加載裝置。本實施例中的加載裝置包括驅(qū)動裝置、曲柄連桿機構(gòu)和葉片限位裝置。本實施例中的驅(qū)動裝置主要由偏心輪7、電機和減速器構(gòu)成；曲柄連桿機構(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通過曲柄連桿機構(gòu)與葉片限位裝置相連。葉片限位裝置為一限制待測試葉片8的加載部位在特定范圍內(nèi)位移的限位裝置。本實施例的葉片限位裝置包括限位基架I和使待測試葉片8的加載部位能在限位基架I內(nèi)滑動的工裝2，工裝2與曲柄連桿機構(gòu)的自由端(即連桿5的端部)相連。工裝2是由兩定位組件對接而成，兩定位組件的對接部位開設(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滑動的軌道，通過滾輪4在軌道上的滑動即可實現(xiàn)對葉片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的表面之間以保護葉片，本實施例選用一 5mm IOmm厚的橡膠墊作為緩沖墊3。通過采用本實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。采用本實施例的上述試驗裝置對風(fēng)力發(fā)電葉片進行疲勞測試的試驗方法，具體包括以下步驟:
(I)首先，依據(jù)計算的疲勞載荷(疲勞載荷是通過風(fēng)機載荷專用軟件計算的等效疲勞載荷)，確定載荷(揮舞和擺振兩個方向，參見圖4和圖5)的合力方向，借助轉(zhuǎn)接法蘭將待測試的葉片8的葉根部固定于試驗基座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)計葉片限位裝置(限位基架I)、偏心輪7、曲柄連桿機構(gòu)的尺寸大??；
(3)設(shè)計并確定待測試的葉片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，以實現(xiàn)葉片8的位移方向的控制；安裝葉片限位裝置時使待測試葉片8的加載方向與位移方向一致，在本實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，在開始疲勞試驗前，先配平葉片試驗區(qū)內(nèi)的重力荷載，保持應(yīng)力比為-1 ;再調(diào)節(jié)葉片8的撓度變形直至達到設(shè)計要求，然后開始疲勞試驗；
(5)啟動驅(qū)動裝置，使驅(qū)動裝置帶動曲柄連桿機構(gòu)、并進而帶動葉片限位裝置和待測試葉片8在水平方向( 或豎直方向)的直線范圍內(nèi)作往復(fù)運動；通過位移傳感器監(jiān)測待測試葉片8在加載部位的撓度大小，以實現(xiàn)設(shè)定疲勞荷載下的葉片性能測試；葉片在疲勞試驗過程中，每隔一段時間(本實施例設(shè)定為10萬次循環(huán))，要測試葉片8的剛度衰減情況，根據(jù)剛度的衰減值，重新調(diào)節(jié)試驗的振幅大小，并始終保持載荷幅值不變。本實施例的上述試驗方法和試驗裝置通過偏心輪7帶動曲柄連桿機構(gòu)，經(jīng)連桿實現(xiàn)葉片的往復(fù)運動，借助滾輪4和軌道控制葉片8的運動方向，該曲柄連桿機構(gòu)可以滿足正弦變化的速度特性。同時，本實施例的試驗方法可根據(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，實現(xiàn)兩個方向同時進行疲勞試驗，試驗過程更加符合實際載荷工況，且節(jié)約了試驗成本。 ·
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測試試驗裝置，包括用于固定葉片(8)葉根部的試驗基座(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)動裝置、曲柄連桿機構(gòu)和葉片限位裝置，所述驅(qū)動裝置通過曲柄連桿機構(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)電葉片疲勞測試試驗裝置，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)電葉片疲勞測試試驗裝置，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)電葉片疲勞測試試驗裝置，其特征在于:所述葉片限位裝置包括限位基架(I)和使待測試葉片(8)的加載部位能在限位基架(I)內(nèi)滑動的工裝(2 )，所述工裝(2 )與所述曲柄連桿機構(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)電葉片疲勞測試試驗裝置，其特征在于:所述工裝(2)是由兩定位組件對接而成，兩定位組件的對接部位開設(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)電葉片疲勞測試試驗裝置，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)電葉片疲勞測試試驗裝置，其特征在于:所述驅(qū)動裝置主要由偏心輪(7 )、電機和減速器構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測試試驗裝置，其特征在于:所述曲柄連桿機構(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中任一項所述試驗裝置對風(fēng)力發(fā)電葉片進行疲勞測試的試驗方法，包括以下步驟: (1)依據(jù)計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試葉片(8)的葉根部固定安裝于所述試驗基座(9)上； (2 )根據(jù)疲勞載荷大小，通過有限元方法和試驗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)計所述葉片限位裝置、驅(qū)動裝置、曲柄連桿機構(gòu)的尺寸大??； (3)設(shè)計并確定待測試葉片(8)的加載部位，并通過所述葉片限位裝置限制待測試葉片(8)的加載部位在特定范圍內(nèi)位移；安裝葉片限位裝置時使待測試葉片(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到設(shè)計要求，然后開始疲勞試驗； (5)啟動驅(qū)動裝置，使驅(qū)動裝置帶動曲柄連桿機構(gòu)、并進而帶動葉片限位裝置和待測試葉片(8)在所述特定范圍內(nèi)作往復(fù)運動；通過位移傳感器監(jiān)測并控制待測試葉片(8)的位移，以實現(xiàn)設(shè)定疲勞荷載下的葉片性能測試；每間隔一段時間測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)進行疲勞試驗。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的試驗方法，其特征在于:所述驅(qū)動裝置主要由偏心輪(7)、電機和減速器構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電葉片疲勞測試試驗裝置，包括用于固定葉片葉根部的試驗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)動裝置、曲柄連桿機構(gòu)和葉片限位裝置，驅(qū)動裝置通過曲柄連桿機構(gòu)與葉片限位裝置相連，葉片限位裝置為一限制待測試葉片的加載部位在特定范圍內(nèi)位移的限位裝置。該試驗裝置對風(fēng)力發(fā)電葉片進行疲勞測試的試驗方法包括先根據(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，啟動驅(qū)動裝置使其帶動曲柄連桿機構(gòu)及葉片等作往復(fù)運動；通過位移傳感器監(jiān)測并控制葉片位移，以實現(xiàn)葉片性能測試。本發(fā)明具有試驗周期短、試驗成本低、試驗結(jié)果準確科學(xué)等優(yōu)點。
文檔編號G01N3/32GK103245576SQ20131015221
公開日2013年8月14日 申請日期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 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)