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風電葉片疲勞共振加載方式參數分析及試驗
近年來，風電行業發展迅速，風電葉片是風電 機組的重要組成部分之一，對于新型號的葉片，通 常需要對其進行靜力及疲勞加載測試以驗證葉片 的結構靜強度和疲勞強度。其中葉片的壽命很 大程度上取決于其抗疲勞性能，因此葉片的疲勞加 載試驗至關重要。早期對葉片的疲勞加載測試 通常采用強制加載方式。美國國家可再生能源實 驗室于 2004 年研制了強制加載設備，通過液壓執行機構施加強制力或控制位移方式使葉片的振幅達到設定 值，進而完成疲勞振動測試。雖然強制加載方式 可操作性比較強，能夠較為容易地實現試驗要求， 但該種加載方式的激振設備功率過高，能 耗 較大。 針對強制加載耗能過大的劣勢，共振加載方式 應用逐漸***。目前常用的疲勞共振加載方式有 旋轉離心式和往復慣性式。這兩種共振加載方式 其實質都是利用質量塊運動產生的慣性力激勵葉片，且激振頻率接近葉片的固有頻率。Eder 等采 用兩個旋轉離心激振設備實現對葉片的多點共振 疲勞加載; Snowberg 等、Post 等采用液壓往復 慣性激振設備實現對葉片的共振加載; 樂韻斐等［10］ 設計了電動往復式慣性加載設備，實現了對葉片的 共振疲勞加載; 同濟大學相關研究團隊也先后設計 了旋轉離心式及往復慣性式加載設備及配套的激 振控制策略。雖然這兩種共振加載方式彌補 了強制加載方式激振設備功率高、能耗大的不足， 但在對葉片進行揮舞方向疲勞測試時，激振設備需 要提供額外的力來克服運動質量塊自身的重力，因 此，激振設備也造成一部分的功率的消損。此外，激 振設備的合理選型也是葉片疲勞測試的一大難點， 激振設備功率過小，無法讓葉片滿足測試要求; 激 振設備功率過大，增加了測試費用，經濟性較差。 并且設備選型還依賴于測試人員的經驗，這也增加 了測試的準備時間。
針對常用共振加載方式的不足及激振設備選 型困難等問題，現提出一種直驅式疲勞共振加載 新方式，并對三種共振加載方式分別進行動力學 建模和設備相關參數分析，建立三種設備所需電 機功率與葉片自身共振功率之間的關系，并結合 某型 50 m 葉片進行實例分析，得到三種加載方式 下各激振設備所需電機參數，以驗證直驅式加載 方法的優越性，并為疲勞測試人員根據不同測試 場景快速合理地選擇激振設備提供理論依據。
1 葉片疲勞測試動力學模型
風電葉片具有變截面特征，葉片沿展長方向的 力學性質存在差異性，為此可根據葉片各截面的剛 度等參數將葉片離散化建模，由于所分析的是各加 載方式激振設備的相關參數，因此可將葉片離散化 振動模型等效為激振位置處的單點質量塊-剛度-阻 尼模型，建立以葉根截面中心為原點的坐標 系，平行地面且垂直葉片軸線為 x 坐標，相對于地面 的垂直方向為 y 坐標，沿葉片軸線為 z 坐標，如圖 1 所示。
2 葉片疲勞測試方式
目前對葉片進行疲勞測試都是采用共振加載 方式，共振加載原理是: 對葉片施加簡諧激振力， 且激振頻率接近葉片的固有頻率，讓葉片產生明 顯的振型。常用的共振加載方式有旋轉離心式、 往復慣性式和直驅式。三種共振加載方式所需激 振設備不同，因此激振設備各參數也不同。結合 葉片的受迫共振，可以進一步分析三種共振加載 方式在對葉片進行疲勞測試時激振設備各自的工 作參數。
2. 1 旋轉離心式共振加載方式 旋轉離心式共振疲勞加載方式是利用安裝在 葉片夾具上的動力裝置驅動偏心質量塊旋轉產生 的離心力對風電葉片進行加載。葉片旋轉質量離 心式垂直疲勞加載裝置由變頻器、電機、減速機、偏 心質量塊等組成，如圖 2 所示。
參照圖 1 和圖 2 可建立如圖 3 所示的揮舞方向 離心式加載系統動力學模型，離心式坐標系原點設 在葉片靜止時運動質量塊旋轉中心處。運動質量 塊初始位置在激振器的**下端，葉片初始位置為靜 力平衡位置。
2. 2 往復慣性式共振加載方式 往復慣性式疲勞加載方式也是利用安裝在葉 片夾具上的動力裝置驅動質量塊在葉片加載方向 做往復直線運動，利用運動質量塊產生的慣性力使 葉片往復振動進行疲勞加載。往復慣性式共振加 載系統通常由液壓作動器或伺服電機、滾珠絲杠構 成。葉片電動伺服往復式疲勞加載裝置如圖 4 所 示。將往復式揮舞方向共振加載系統簡化成如圖 5 所示的模型。
2. 3 直驅式共振加載方式 直驅式共振加載方式通過安裝在固定裝置上 的執行機構產生的簡諧激振力對風電葉片進行共 振加載。直驅式共振加載方式可由伺服電機、纜繩 和減速機構成，如圖 6 所示。直驅式共振加載方式 的激振器不安裝于葉片上，故將其簡化為如圖 7 所 示的模型。
3 實例分析激振器參數
以某型 50 m 葉片揮舞方向加載為例，所需的激 振力兩側峰峰值為 10 000 N，激振頻率為 0. 479 Hz， 激振位置為 20 m 處，激振處葉片振幅 Y = 0. 405 m， 離心式共振法中取質量塊的旋轉半徑 r = 0. 4 m，往復式共振法中取質量塊運動的單側行程為 S = 0. 4 m，分別計算采用離心式、往復式和直驅式加載 方式所需的電機輸入功率、最大轉速等相關參數， 其中離心式、直驅式中減速器的傳動比 i = 50，卷筒 半徑 L = 0. 4 m，往復式共振法中滾珠絲杠的導程 h = 0. 02 m。
4 結論 針對離心式、往復式和直驅式三種葉片共振加 載方式分析了其動力學模型并得到激振器所需參 數的解析解，通過實例分析得出以下結論。 ( 1) 建立了三種疲勞加載方式激振設備的參數 解析式，通過葉片的固有參數和設計值便可快速確 定激振設備的合理型號。 ( 2) 建立了三種加載方式比較大激振功率與葉片 振動功率之間的關系，以功率比值系數 δi 表示，通 過功率比值系數可以快速較準確估算電機所需的 功率。當激振點作用于靠近葉尖處時，其振幅越 大，離心式與往復式電機克服質量塊自重產生的額 外功率的占比越小。 ( 3) 三種共振加載方式中直驅式共振加載方式 激振功率**小，這是因為直驅式共振加載方式中負 載力不用克服激振器運動質量塊的自重，進而減小 了總的輸出功率。離心式共振加載所需電機功率 比往復式共振加載電機的輸出功率略小，這是因為 離心式旋轉質量塊在沿著葉片展長方向存在分運 動，總的負載力矩小于往復式電機的負載力矩，進 而導致功率略小于往復式功率。 ( 4) 直驅式激振設備所需功率及能耗**小，因 此在進行葉片疲勞測試時，可優先選用直驅式疲勞 加載方式。
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