葉片材料試驗(yàn)裝置的立項(xiàng)研究

馬瑞

摘要：本文主要介紹用于風(fēng)電葉片葉片材料試驗(yàn)裝置立項(xiàng)依據(jù)、研究?jī)?nèi)容、研究試驗(yàn)方法、技術(shù)路線、技術(shù)參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)仿真驗(yàn)證計(jì)算，并結(jié)合公司實(shí)際軟硬件情況提出立項(xiàng)研究的可行性及良好的市場(chǎng)前景。

Abstract： This paper mainly introduces the project basis， research content， research and test method， technical route， technical parameter and the system parameter simulation verification calculation of leaf material of wind power blades and puts forward the feasibility and good market prospects of the project research based on the actual hardware and software of the company.

關(guān)鍵詞：葉片材料；疲勞測(cè)試；仿真驗(yàn)證計(jì)算；可再生能源

Key words： leaf material；fatigue test；simulation verification calculation；renewable energy

中圖分類號(hào)：TK263.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）21-0135-03

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)：隨著我國(guó)風(fēng)能市場(chǎng)的擴(kuò)大，風(fēng)機(jī)制造業(yè)逐漸進(jìn)入高速發(fā)展期。國(guó)內(nèi)外眾多制造企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入我國(guó)風(fēng)能市場(chǎng)。其中葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件。由于陸上或海上風(fēng)場(chǎng)的氣候條件惡劣，監(jiān)測(cè)和維護(hù)困難，對(duì)外界溫度、葉片裂紋、雷擊等對(duì)葉片損傷的早期預(yù)警顯得十分重要。葉片必須經(jīng)受住極端載荷和彎曲，可以承受20年中等強(qiáng)度的磨損和彎曲。對(duì)此，葉片制造完成后的型式試驗(yàn)非常重要，而其中疲勞測(cè)試和加載測(cè)試就成為該環(huán)節(jié)關(guān)注的重中之重。

相關(guān)測(cè)試設(shè)備隨著最近幾年全球新能源發(fā)展浪潮開(kāi)始逐步發(fā)展。目前國(guó)外測(cè)試設(shè)備一次性疲勞測(cè)試最高振動(dòng)頻率在最大振幅時(shí)為1Hz，連續(xù)測(cè)試20萬(wàn)到50萬(wàn)次，振幅在±100mm以內(nèi)，疲勞測(cè)試載荷在20kN以內(nèi)。由于我國(guó)在該環(huán)節(jié)起步晚、初期葉片追求量產(chǎn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，目前還沒(méi)有相關(guān)特種測(cè)試設(shè)備。

本項(xiàng)目研究的目的和積極意義一在于提高自主研發(fā)水平，不受制于人，提升高端設(shè)備自主品牌形象；二在于超越國(guó)外同類測(cè)試設(shè)備，做到人有我優(yōu)；三在于提高風(fēng)電葉片質(zhì)量，做到問(wèn)題的早測(cè)試、早發(fā)現(xiàn)、早解決。

1 具體研究?jī)?nèi)容

一是用于測(cè)試葉片材料的抗疲勞強(qiáng)度：測(cè)試在以平衡位置為原點(diǎn)，試件進(jìn)行最大振幅為±300mm的疲勞測(cè)試，控制系統(tǒng)允許振幅在0至±300mm范圍內(nèi)對(duì)稱連續(xù)調(diào)整。疲勞試驗(yàn)時(shí)的最高振動(dòng)頻率在最大振幅時(shí)為1Hz。這即意味著在1秒內(nèi)完成1200mm的行程，完成兩次運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換。這種運(yùn)動(dòng)方式需連續(xù)運(yùn)行100萬(wàn)次，也即連續(xù)工作11.6天。這對(duì)系統(tǒng)各個(gè)元件都是一個(gè)考驗(yàn)，對(duì)液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)乃至機(jī)械結(jié)構(gòu)都提出了較高要求。某種意義上也是對(duì)整個(gè)設(shè)備各環(huán)節(jié)做疲勞測(cè)試。

二是靜載荷測(cè)試，這個(gè)從本質(zhì)上說(shuō)就是材料的破壞性試驗(yàn)，相對(duì)疲勞試驗(yàn)從技術(shù)上要簡(jiǎn)單一點(diǎn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

①要克服了振幅為±300mm下的疲勞測(cè)試，這在國(guó)外類似設(shè)備上是沒(méi)有的，國(guó)外一般在±100mm以內(nèi)。國(guó)內(nèi)其它行業(yè)的疲勞測(cè)試設(shè)備一般行程都在幾十毫米以內(nèi)，20萬(wàn)次的疲勞測(cè)試。在頻率1Hz下實(shí)現(xiàn)如此行程也即意味著一秒內(nèi)進(jìn)行單行程1200mm、連續(xù)100萬(wàn)次折合為12天的考驗(yàn)。這對(duì)液壓系統(tǒng)元件、機(jī)械部件、裝機(jī)水平都是一個(gè)疲勞測(cè)試的過(guò)程。任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都意味著目標(biāo)的不能實(shí)現(xiàn)。②系統(tǒng)發(fā)熱問(wèn)題，由于系統(tǒng)的頻率要求，必須采用伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)在液壓行業(yè)是最尖端的。同時(shí)伺服系統(tǒng)的發(fā)熱情況也是比較嚴(yán)重。解決系統(tǒng)發(fā)熱問(wèn)題是系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的難點(diǎn)。③實(shí)現(xiàn)供液壓力的穩(wěn)定及在保證系統(tǒng)所需最大流量的前提下降低泵的排量，即泵供給油缸疲勞試驗(yàn)時(shí)的一定流量，在部分區(qū)域的峰值流量由蓄能器供給。常規(guī)伺服系統(tǒng)中往往用蓄能器用作吸收震動(dòng)和沖擊，也鮮有用于系統(tǒng)補(bǔ)油。這對(duì)整機(jī)調(diào)試產(chǎn)生何種影響，都需要前期對(duì)其最系統(tǒng)仿真。但實(shí)際情況和仿真有多大區(qū)別，都是未定之?dāng)?shù)。④試驗(yàn)臺(tái)裝置在減少焊接量，多采用拼裝設(shè)計(jì)上有較大突破，這樣盡量避免焊接變形、適用不同測(cè)試件規(guī)格尺寸便于調(diào)整等方面有所創(chuàng)新。但相關(guān)連接件的疲勞性能如何還需要認(rèn)真計(jì)算和選型。⑤設(shè)備對(duì)智能化程度要求比國(guó)外設(shè)備有較大提高。擬采用觸摸屏、打印機(jī)及高速攝像機(jī)等電氣元件，使得該設(shè)備成為集機(jī)電液一體，智能化程度較高的大型設(shè)備。

3 技術(shù)方向

通過(guò)“風(fēng)電葉片材料性能測(cè)試試驗(yàn)裝置的研發(fā)”課題的研究，掌握葉片在自然環(huán)境下的疲勞破壞和加載下的破壞情況。

①設(shè)備能按照如上技術(shù)參數(shù)進(jìn)行靜載和疲勞試驗(yàn)：②本體結(jié)構(gòu)如圖1：采用全框架緊固件連接方式。③液壓系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。主要由以下部分構(gòu)成：1）動(dòng)力部分：恒壓變量泵及蓄能器，實(shí)現(xiàn)供液壓力的穩(wěn)定及在保證系統(tǒng)所需最大流量的前提下降低泵的排量，即泵供給油缸疲勞試驗(yàn)時(shí)的平均流量，在峰值流量時(shí)由蓄能器供給。2）控制部分：電液伺服閥，利用該閥的高固有頻率保證系統(tǒng)需要的性能。3）執(zhí)行部分：帶全程檢測(cè)位移傳感器的伺服油缸，且為雙活塞桿結(jié)構(gòu)。4）反饋部分：由位移傳感器和PLC可編程控制器組合完成。5）安全保護(hù)：液壓部分的安全保護(hù)由溢流閥及恒壓泵的特性實(shí)現(xiàn)。6）過(guò)濾部分：由高過(guò)濾精度的高壓過(guò)濾器及中精度的回油過(guò)濾器兩部分組成。7）冷卻系統(tǒng)：伺服系統(tǒng)的壓力油工作在伺服閥口節(jié)流狀態(tài)，發(fā)熱較大，系統(tǒng)配有一管式冷卻器，以確保系統(tǒng)連續(xù)工作。8）此外在油缸的兩腔備有壓力傳感器的接口，以輸出油缸的推、拉力數(shù)據(jù)（PLC可編程上可輸出油缸位移量數(shù)據(jù)）。系統(tǒng)在進(jìn)行兩種試驗(yàn)時(shí)采用不同的液壓壓力，由恒壓泵的變量點(diǎn)控制進(jìn)行調(diào)整。

④系統(tǒng)參數(shù)仿真驗(yàn)證計(jì)算。

利用AMESIM軟件建立整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，如圖2-圖5所示。

■

4 結(jié)束語(yǔ)

利用現(xiàn)有單位平臺(tái)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用Solid Works三維軟件，在電腦上模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，檢查機(jī)構(gòu)有無(wú)干涉，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)想的運(yùn)動(dòng)要求。ANSYS有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)圖紙中的零件和機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，剛性進(jìn)行了力學(xué)分析，并編制工藝指導(dǎo)文件。

本項(xiàng)目屬于可再生能源范疇，是國(guó)家重點(diǎn)支持與鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)，對(duì)環(huán)境無(wú)影響。

由于風(fēng)電行業(yè)的迅猛發(fā)展，行業(yè)內(nèi)部魚(yú)龍混珠，作為風(fēng)電核心部件的葉片質(zhì)量成為各方矚目的焦點(diǎn)，國(guó)家也正在制定葉片制作和測(cè)試的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以便規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量。這樣葉片材料的技術(shù)參數(shù)測(cè)試成為該產(chǎn)品未來(lái)不可或缺的要素。該設(shè)備預(yù)期有較好的市場(chǎng)前景和市場(chǎng)適用性。

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