風電葉片多角度疲勞力學性能檢測裝置

梁振宇，段文銳，何宇杰，侯鵬亮

（鹽城工學院機械優(yōu)集學院，江蘇 鹽城 224051）

引言

隨著不可再生能源的日益枯竭，新能源取代化石能源成為了人類社會發(fā)展的迫切需求。盡管光能只有2%轉(zhuǎn)化為風能，但全球儲量約2.74×109MW，人類可利用風能約為2×107MW，相當于全球耗煤所產(chǎn)生能量的1 000倍以上[1]。風能作為一種優(yōu)質(zhì)的新能源在國內(nèi)發(fā)展迅速，從丹麥Vestas在中國建廠并投入生產(chǎn)82 m的風電葉片[2]，到近年來隨著風電機組規(guī)模的不斷擴大、裝機數(shù)量以及容量的增加，截至2010年中國風力發(fā)電裝機容量已超過4 000萬kW，中國新增裝機容量躍居世界第一[3]。大量的風電機組必須得到日常維護，尤其是風電葉片作為機組的動力部件，經(jīng)常出現(xiàn)開裂、斷裂、分層和脫膠等缺陷（如圖1所示），造成風機發(fā)電效率降低，甚至造成巨額經(jīng)濟損失。鑒于此，設(shè)計一種試驗裝置，對風電葉片進行疲勞試驗，獲得風電葉片的疲勞性能數(shù)據(jù)，為風電葉片的設(shè)計和制備提供依據(jù)。文章介紹的實驗裝置主要包括承載夾持機構(gòu)、帶動檢測機構(gòu)沿風電葉片長度方向運動至承載機構(gòu)處的導軌機構(gòu)、進給機構(gòu)以及疲勞檢測機構(gòu)。

1 疲勞理論

圖1 風電葉片損壞照片

國際標準化組織對疲勞進行了規(guī)范描述：在應力或應變的反復作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過程叫做疲勞[4]。風電葉片疲勞主要是由葉片的工作環(huán)境決定，其所受載荷一般有重力載荷、慣性載荷、氣動載荷等[5]，其中最常見的破壞形式就是機械疲勞破壞，主要是因為風電葉片機組在惡劣的工作環(huán)境下，葉片不可避免地承受自然風載荷和內(nèi)部的沖擊載荷。葉片在工作過程中不斷承受交變載荷引起的疲勞失效主要表現(xiàn)為機體開裂、脫膠等，因此設(shè)計一種多角度疲勞試驗加載裝置，對風電葉片進行載荷分析能夠更好地模擬葉片的實際受力情況，使試驗能達到或更接近于實際工況的標準，大大提高疲勞試驗的準確性，同時為測試風電葉片的服役壽命提供一種可靠的預測方案。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 承載夾持機構(gòu)

承載機構(gòu)包括尾架座整體和導軌整體，如圖2所示。利用尾架座對風電葉片的葉根進行固定，尾架座要有足夠的高度保證葉片在測試過程中不觸及地面，同時為了使加載過程的順利進行必須滿足足夠的剛度與強度，還需要具有一定的通用性。同時為保證固定穩(wěn)定性，在尾架座上設(shè)置與葉根相配合的螺栓孔，通過螺母將葉根上的螺栓固定在尾架座。將尾架座與軌道設(shè)置為一體成型，可有效提高檢測裝置的裝置穩(wěn)定性，且尾架采用鋼筋混凝土澆筑的葉片固定端裝置，結(jié)構(gòu)堅固、支撐力強、經(jīng)濟性好。

圖2 尾架座

為了對風電葉片特定位置進行檢測，設(shè)計了一種內(nèi)外固定的夾持裝置，如圖3所示，不僅能夠滿足葉片固定的需要，還能作為承載機構(gòu)承受載荷施加裝置提供的載荷，為有效分析葉片力學性能提供準確數(shù)據(jù)。內(nèi)外固定裝置由專用內(nèi)槽和通用外槽構(gòu)成，通用外槽的形狀均與外框架的形狀一致，為八邊形形狀，既準確對正平面又可以配合載荷施加裝置提供八個不同方位的主要載荷力，即對風電葉片的多角度提供大小不同的有效載荷。專用內(nèi)槽為可拆卸式，被設(shè)置在通用外槽內(nèi)共同組成測量夾具，在各專用內(nèi)槽上開設(shè)的通孔與其固定位置風電葉片的待檢測部位相適配，即整個風電葉片檢測的幾個平面點位分別對應幾個專用內(nèi)槽，與此同時僅使用同一通用外槽。檢測時，首先在待檢測部位安裝專用內(nèi)槽和通用外槽，然后檢測機構(gòu)從導軌最前端運動到風電葉片的待檢測部位停止，通電實現(xiàn)電磁鐵對夾持裝置吸引加載，隨著載荷的不同，傳感器傳遞不同數(shù)據(jù)參數(shù)到總機匯總結(jié)果。

圖3 夾持機構(gòu)

2.2 導軌機構(gòu)

通過電機和鏈傳動帶動兩個運轉(zhuǎn)軸，軸端滾輪分別卡入固定滾動軌道，以實現(xiàn)在預定軌道預定。待檢測的風電葉片在底座上固定和裝夾夾具后，導軌電機拖動滾輪和測量架運動至待檢測位置并由傳感器對夾持機構(gòu)準確定位。電機拖動過程的實現(xiàn)，采用PLC控制，可靠性高且抗干擾能力強。

2.3 進給機構(gòu)

進給機構(gòu)（如圖4所示）的運動是在測量架運動至特定位置后內(nèi)部進給機構(gòu)的運動，主要包括曲柄滑塊機構(gòu)、滑塊機構(gòu)、液壓缸等運動，通過一系列準確運動以對齊至檢測準備狀態(tài)并等待檢測。

圖4 測量架

當電機轉(zhuǎn)動時帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，在傳感器檢測距離的基礎(chǔ)上曲柄滑塊機構(gòu)推動滑塊控制兩端滑桿同時向中間移動使兩個滑動桿的間距縮小，以此推動伸出測量架向通用外槽靠近。在驅(qū)動電機粗距離調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，還設(shè)置有用于微調(diào)節(jié)液壓桿，通過對液壓桿的微調(diào)實現(xiàn)電磁鐵與承載機構(gòu)外壁之間距離的微調(diào)，避免電磁鐵過度前推造成葉片受損。當傳感器檢測通用外槽和電磁鐵至一定數(shù)值后，電機停止并卡死，液壓桿微調(diào)距離達檢測狀態(tài)，通過電磁吸引通用卡槽，對葉片前段（因為葉片損壞主要是前段）加載，同時傳感器測量電磁鐵與通用卡槽的距離并匯總?cè)~片的偏離量和葉片的受力情況，改變通過電磁鐵的電流頻率和大小，測量不同載荷下風電葉片疲勞力學性能。在檢測風電葉片不同位置狀態(tài)時，可選用與此位置匹配的固定內(nèi)槽，按以上操作獲得結(jié)果。

2.4 檢測機構(gòu)

檢測機構(gòu)主要包括測量架及其上面的傳感器和檢測裝置，目前國內(nèi)外主流廠商多采用無損檢測方式，即利用光、電、聲等物質(zhì)的物理特性來檢測材料中是否存在缺陷并定位和評價的技術(shù)，其最大優(yōu)點是不影響被檢測對象的性能和結(jié)構(gòu)，具有非破壞性、全程性、可靠性、全面性。常用于風電葉片的無損檢測方法有超聲檢測、X射線檢測、紅外熱檢測等[6-7]。從Kaiser效應[8]的發(fā)現(xiàn)到Tarto[9]首次將聲發(fā)射技術(shù)應用于工程材料的損傷檢測中，超聲檢測既方便又經(jīng)濟，逐漸成為主流檢測方法，但易造成裝置振動，故在超聲檢測的同時附加其他無傷檢測如紅外檢測等，以保證檢測結(jié)果準確。

3 裝置運動檢測過程及其特點

3.1 裝置運動檢測過程

圖5 裝置圖

測量前，將風電葉片固定在尾架座上（如下頁圖5所示），在風電葉片指定測量點安裝承載夾持機構(gòu)后電機帶輪子使檢測架從導軌最前端滑動，至設(shè)置有承載機構(gòu)的待檢測部位停止。在檢測風電葉片不同位置狀態(tài)時，選用與此位置相匹配的專用內(nèi)槽，使測量架與該承載機構(gòu)位于同一平面內(nèi)。檢測時，位移傳感器測量電磁鐵與固定外殼外表面之間的距離，驅(qū)動電機帶動滑動桿前推至一定距離后驅(qū)動液壓桿前推微調(diào)到與通用外槽距離可保證電磁鐵正常工作，在需要加載方向的電磁鐵上通電，使電磁鐵吸引通用卡槽，交替通斷對應方向電磁鐵線圈，改變不同方向電磁鐵吸引力大小以實現(xiàn)多角度疲勞加載，通過調(diào)節(jié)電流頻率和電流大小，以實現(xiàn)不同疲勞加載頻率的調(diào)節(jié)和疲勞強度的調(diào)節(jié)。最后分析匯總各檢測裝置和傳感器數(shù)據(jù)至終端電腦并分析風電葉片的多角度疲勞力學性能，得到風電葉片的性能參數(shù)。

3.2 裝置特點

該裝置特點在于使用專用夾具和八邊形通用夾具配合檢測架，運用電磁感應原理對風電葉片疲勞加載配合檢測裝置加以檢測，與振動激振裝置[10-11]不同，它基本上不存在振幅對檢測過程的影響，也不會出現(xiàn)振動加速儀器老化的問題，具有裝置簡單且可控性好的優(yōu)點，同時與傳統(tǒng)電磁脈沖式疲勞加載裝置[12]也不同，它可以通過使用多個夾具和八邊形的主要載荷受力方向的復合實現(xiàn)多角度多方向?qū)︼L電葉片的疲勞加載，有利于獲得更多精確數(shù)據(jù)，便于進一步對風電葉片結(jié)構(gòu)和材料研究和完善。

4 結(jié)語

作為一種新型風電葉片多角度疲勞力學性能檢測裝置，該測試裝置在受載時僅需改變電流的頻率和大小即可增大或者減小對風電葉片指定位置的載荷，與當前市面上存在的測試裝置相比，可以同時檢測以八個方向為主的多角度疲勞力學載荷，真實地還原了風電葉片的工作狀態(tài)，能夠為風電葉片的疲勞測試提供有效的數(shù)據(jù)測試，有效減少了因風電葉片承受交變載荷而受損。該裝置簡單、經(jīng)濟且在保證結(jié)構(gòu)緊湊的同時保證了測試精度的準確性和測試結(jié)果的多樣性，會在國內(nèi)中小型風電廠商中有較廣的市場前景。