液壓作動器驅動的風機葉片疲勞加載系統(tǒng)研究

黃雪梅，趙婧，張磊安

(山東理工大學機械工程學院，山東淄博255049)

風機葉片作為風電機組的關鍵部件之一［1-4］，在工作過程中受到外界環(huán)境及風載荷組合影響。外界環(huán)境包括自身重力和離心慣性力等，風載荷主要包括陣風、湍流、和風剪等［5］。由于長期受到交變載荷作用，所以疲勞損傷造成的破壞時有發(fā)生，因此疲勞強度分析是葉片設計的重要組成部分。由于所受到的載荷比較復雜且受限于試驗條件，有關葉片疲勞壽命的研究，國內外學者大多采用建立FEM模型并結合玻璃鋼復合材料的 S-N曲線對其進行疲勞壽命研究［6-7］。但以上研究均是采用建立仿真模型的手段進行研究，由于仿真模型的建立需要做較多簡化，導致其模擬試驗結果與實際結果存在一定差異。現(xiàn)場實測和物理模型試驗獲得的數(shù)據最直觀、真實可靠，因而采用室內物理試驗來研究風機葉片是否具有承受疲勞載荷的能力無疑成為一種有效手段。鑒于此，作者建立了一套雙液壓缸驅動的風機葉片疲勞加載系統(tǒng)，通過一系列仿真試驗，佐證該系統(tǒng)可為數(shù)值模擬方法提供驗證手段，也為更加深入研究風機葉片的性能打下了基礎。

1 作動器驅動的疲勞加載系統(tǒng)設計

1.1 疲勞加載系統(tǒng)

為了進行MW級風機葉片的疲勞加載試驗，設計了一套液壓作動器驅動的風機葉片疲勞加載系統(tǒng)，其總體方案如圖1所示。疲勞加載點約為沿葉片展向70%處，夾具兩邊對稱放置兩個液壓作動器，通過液壓作動器帶動配重塊的上下振動，驅動葉片進行上下振動。

圖1 作動器驅動的疲勞加載系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)工況仿真分析

基于AMESim和Matlab/Simulink軟件聯(lián)合構建了液壓作動器驅動系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。該系統(tǒng)采用兩個蓄能器 (A和B)分時供油，泵站分時補油的控制方案。

圖2 液壓驅動系統(tǒng)仿真模型

限于篇幅，以動力源蓄能器A供油為例，在一個工作周期中，其內部的氣體壓力變化曲線如圖3所示。

根據圖3的氣體壓力變化曲線，得到加載系統(tǒng)工況，分為3個階段:(1)階段的氣體壓力逐漸降低，表明為蓄能器A處于充油階段;(2)階段的氣體壓力不變，表明處于等待蓄能器B的充油階段;(3)階段的氣體壓力上下波動，此時蓄能器A處于工作工況。

圖3 氣體壓力變化曲線

2 動力源參數(shù)仿真分析

2.1 氣體多變指數(shù)仿真

蓄能器作為加載系統(tǒng)的重要動力源，其內部通常沖入為氮氣，利用氣體的的彈性變形儲存或釋放能量。根據任意平衡狀態(tài)的壓力和體積變化，建立克拉貝隆方程［8］:

式中:p為氣體的絕對壓力，Pa;

V為氣體的體積，m3;

M為氣體的質量，kg;

T為氣體絕對溫度，K;

R為氣體常數(shù)，N·m/(kg·K)。

根據式(1)可以看出，等溫過程時有:

式中:p1、V1為氣體變化前的壓力、體積;

p2、V2為氣體變化后的壓力、體積。

根據熱力學定律，氣體處于絕熱狀態(tài)有:

式中:n為氣體多變指數(shù)。

氣囊式蓄能器作為疲勞加載系統(tǒng)的動力源，取不同的氣體多變指數(shù)對系統(tǒng)影響較大。文獻 ［9］對蓄能器多變指數(shù)對系統(tǒng)的影響進行試驗，得到氣體多變指數(shù)的取值在1.0～1.4。而氣體多變指數(shù)取值通常取決于氣體與外界換熱是否充分，如果換熱充分可視為等溫過程，取n=1;如果換熱不充分，可視為絕熱過程，取n=1.4。

為了對比不同氣體多變指數(shù)對該系統(tǒng)的影響程度，選擇不同的氣體多變指數(shù)進行仿真，結果如圖4所示。

圖4 氣體體積變化

從圖4中看出，當氣體多變指數(shù)取值為1時，動力源內部的氣體體積逐漸增大，表明蓄能器內部的油液體積逐漸減小。當氣體多變指數(shù)取值為1.4時，氣體體積近似不變，也表明蓄能器內部的油液體積基本維持恒定。由于疲勞加載試驗的周期較長，應盡可能讓動力源處于絕熱狀態(tài)。

3 控制系統(tǒng)設計與研究

3.1 控制系統(tǒng)建模

建立加載系統(tǒng)的力平衡方程、流量連續(xù)性方程和負載壓力-流量方程:

式中:QLi為液壓缸負載流量，L/min;

xpi為各液壓缸的位移，m;

Mi為負載總質量，kg;

Ah為液壓缸有效面積，m2;

Ki為彈簧等效剛度，N/m;

pLi為負載壓力，MPa;

Fli為液壓缸外負載，N;

xvi為比例伺服閥的閥芯位移，mm。

化簡得到微分方程組:

令

3.2 仿真算例

以圖2的仿真模型為例，其中部分關鍵參數(shù)選擇如表1。

表1 參數(shù)配置表

以控制系統(tǒng)數(shù)學模型為基礎，采用主從PID控制算法，實時測量葉片振動過程中的振幅，控制兩個作動器的速度。圖5與圖6分別為作動器振幅一致和存在振幅差的情況下，作動器的振動狀態(tài)。

圖5 作動器位移曲線(振幅一致)

圖6 作動器位移曲線(振幅差)

從上述仿真曲線看出，在負載不變情況下，該系統(tǒng)能保證兩個作動器動作完全一致，即位移曲線完全吻合，此時葉片處于自然狀態(tài)。另外，可根據需要使兩個作動器保持任意振幅差，此時葉片處于扭轉狀態(tài)。在振動過程中，該系統(tǒng)可準確捕捉負載共振點，近似于正弦變化，也驗證了之前建模的準確性。

4 結論

通過設計一套雙蓄能器分時供油的風機葉片疲勞加載系統(tǒng)，通過對整個系統(tǒng)的建模、仿真分析，得出如下結論:

(1)采用蓄能器供油，泵補油的三階段加載方案完全可行，氣體多變指數(shù)處于絕熱狀態(tài)時能保證該加載系統(tǒng)的長時間工作。

(2)通過建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，仿真證明該系統(tǒng)在保證葉片共振的前提下，可根據實際需要使葉片處于任意姿態(tài)。該加載系統(tǒng)為后續(xù)的葉片疲勞加載試驗打下了基礎。

【1】BURTON T，SHARPE D，JENKINS N.Wind Energy Handbook［M］.Chichest er:John Wiley＆Sons，2001:287-293.

【2】LU Lin，YANG Hong-xing，Burnett J.Investigation on Wind Power Potential on Hong Kong Islands:An Analysis of Wind Power and Wind Turbine Characteristics［J］.RenewableEnergy，2002，27(1):1-12.

【3】JOSELIN HERBERT G M，INIYAN S，SREEVALSAN E，et al.A Review of Wind Energy Technologies［J］.Renewable sustainable Energy Reviews，2007，11(6):1117-1145.

【4】KONG C，BANG J，SUGIYAMA Y.Structural Investigation of Composite Wind Turbine Blade Considering Various Load Cases and Fatigue Life［J］.Wind Energy，2005，30 (11/12):2101-2114.

【5】李朝.近地湍流風場的CFD模擬研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2010:18-22.

【6】KONG Changduk，KIM Taekhyun，HAN Dongju，et al.Investigation of Fatigue Life for a Medium Scale Composite Wind Turbine Blade［J］.International Journal of Fatigue，2006，28(10):1382-1388.

【7】SUTHERLAND Herbert J，MANDELL John F.The Effect of Mean Stress on Damage Predictions for Spectral Loading of Fiberglass Composite Coupons［J］.Wind Energy，2005，8 (1):93-108.

【8】康榮杰，陳麗莎，焦宗夏.基于能量調節(jié)的電動靜液作動器設計與與仿真［J］.北京航空航天大學學報，2010，36 (1):18-21.

【9】王德偉.蓄能器充壓過程中氣體多變指數(shù)的確定［J］.液壓與氣動，2007(9):78-80.