風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械載荷測試及疲勞分析

李太安+孫彥利+賴如輝+高偉

【摘 要】風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械載荷測試主要是為了驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)計(jì)算的有效，并確定特殊狀況下整機(jī)承受的載荷大小。據(jù)此，本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械載荷測試及疲勞進(jìn)行了具體分析。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；機(jī)械；載荷測試；疲勞分析

目前我國形成了最大規(guī)模的中小型風(fēng)力發(fā)電市場，但是其中很多發(fā)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，市場銷售產(chǎn)品大部分沒有經(jīng)過測試和認(rèn)證，導(dǎo)致一些劣質(zhì)產(chǎn)品充斥市場。這就需要風(fēng)力發(fā)電企業(yè)必須加強(qiáng)對(duì)機(jī)械進(jìn)行檢測，尤其是機(jī)械的載荷，測試的項(xiàng)目主要包括葉片靜載荷測試、電機(jī)主軸彎矩和扭矩動(dòng)態(tài)測試以及塔架底部的偏航力矩、俯仰彎矩靜態(tài)測試，其中以葉片靜載荷測試為主。

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械荷載測試

（一）葉片測試原理

進(jìn)行葉片檢測時(shí)，需要先測量物理特性。葉片靜力試驗(yàn)就是對(duì)葉片施加載荷，同時(shí)在葉片上粘貼應(yīng)變片采集葉片應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行測試時(shí)，首先建設(shè)一個(gè)擁有足夠剛、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的固定基座，試驗(yàn)過程中，將葉片安裝到試驗(yàn)臺(tái)上。在葉片靜力試驗(yàn)期間，葉片的加載載荷必須不間斷地測量，同時(shí)需要利用分布在葉片上的應(yīng)變片測量葉片結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。采用起重機(jī)、絞盤、葫蘆或其它加載方式，一般采用起重器垂直加載或葫蘆水平加載，條件受到限制，也可以采用沙包等重物模擬施加壓力的方式進(jìn)行。對(duì)葉片加載的同時(shí)，采用電測法測量應(yīng)變信號(hào)。測試方案為距離葉片根部的截面施加靜載荷，加載方法為初級(jí)載荷按滿載荷的10%，進(jìn)行分級(jí)協(xié)調(diào)加載，試驗(yàn)載荷通過起吊設(shè)備和安裝在葉片上的加載夾具傳遞到葉片上，其矢量方向通過葉片的剪切中心。

（二）葉片測試

安裝葉根轉(zhuǎn)換器及葉片翻身，將葉片翻轉(zhuǎn)到Flapwise-Max方向，壓力側(cè)朝上，安裝角度為-185°。將葉片安裝到試驗(yàn)臺(tái)，通過兩點(diǎn)起吊的方式，將葉片吊到靜力試驗(yàn)臺(tái)。安裝定位連接螺栓，就是通過72根M36的長螺栓將轉(zhuǎn)換器安裝到試驗(yàn)臺(tái)上。轉(zhuǎn)換器與試驗(yàn)臺(tái)連接，通過液壓扳手將轉(zhuǎn)換器與試驗(yàn)臺(tái)緊密連接。安裝Flapwise-Max時(shí)，檢測相關(guān)夾具及保護(hù)鋼絲繩。檢測安裝試驗(yàn)相關(guān)測試設(shè)備及連接測試導(dǎo)線。葉片調(diào)平，根據(jù)調(diào)平載荷數(shù)據(jù)將葉片調(diào)整到水平狀態(tài)。畫水平零度線并作預(yù)加載60%的加載試驗(yàn)，葉片調(diào)平后，在位移線上做出標(biāo)記，然后進(jìn)行預(yù)加載60%的試驗(yàn)。進(jìn)行加載試驗(yàn)，如果溫度低于20℃時(shí)，每降低5 ℃額定載荷需增加1%，由于試驗(yàn)溫度為5℃，所以試驗(yàn)時(shí)，需要加載到103%，并記錄試驗(yàn)時(shí)的溫度、濕度和葉根水平度，給出加載103%時(shí)測試效果圖。Flapwise-Max方向測試結(jié)束，得出測試值及與理論值的偏差。依次進(jìn)行試驗(yàn)。

（三）電機(jī)主軸彎矩和扭矩動(dòng)態(tài)測試

電機(jī)主軸彎矩和扭矩動(dòng)態(tài)測試的原理與葉片靜載荷測試原理基本相似，唯一的區(qū)別是測點(diǎn)布置位置不同，如圖1、圖2所示。

在測試過程中，由于主軸是旋轉(zhuǎn)的，針對(duì)主軸應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用滑輪或無線連接的方式，如圖3所示。

（四）塔架底部的偏航力矩和俯仰彎矩靜態(tài)測試

塔架底部的偏航力矩和俯仰彎矩靜態(tài)測試原理與葉片靜載荷測試原理相同，應(yīng)變片安裝在塔架內(nèi)壁上，應(yīng)該盡量避免門、法蘭盤、焊縫、平臺(tái)的影響。安裝位置如圖4所示。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械的疲勞分析

（一）平均應(yīng)力的等效轉(zhuǎn)換

平均應(yīng)力對(duì)累計(jì)損傷具有較大的影響，所以必須按照等效損傷的原則，將非零平均應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)等效轉(zhuǎn)換為零平均應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)。等效壽命曲線圖是用來描述S-N數(shù)據(jù)的。在曲線圖中，等效壽命曲線和相同的估算壽命之間建立聯(lián)系，作為平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值的函數(shù)。根據(jù)疲勞經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，將二維矩陣壓縮處理成一維矩陣，矩陣元素是關(guān)于應(yīng)力幅值的，就可以進(jìn)行載荷譜的編制過程。

其中，Si為等效零均值應(yīng)力，Sai為第i個(gè)應(yīng)力幅值，Smi為第i個(gè)應(yīng)力均值，σb為拉伸強(qiáng)度極限。

（二）疲勞載荷譜的編制

表示測量隨機(jī)載荷與出現(xiàn)次數(shù)關(guān)系的表格、圖形和矩陣等稱之為載荷譜。疲勞壽命預(yù)測結(jié)果在很大程度上是由載荷譜的準(zhǔn)確性決定的。風(fēng)機(jī)載荷——時(shí)間歷程在經(jīng)過處理后，會(huì)得到載荷循環(huán)次數(shù)。根據(jù)風(fēng)速分布情況和風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命，便能夠得到各個(gè)載荷工況在風(fēng)機(jī)壽命期間的總循環(huán)次數(shù)，從而繪制風(fēng)機(jī)疲勞載荷譜。橫坐標(biāo)用來表示載荷循環(huán)次數(shù)，縱坐標(biāo)用來表示疲勞載荷大小，就能夠完整地生成疲勞載荷譜。編制風(fēng)機(jī)疲勞載荷譜是設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，預(yù)測疲勞壽命的基礎(chǔ)。

（三）利用載荷譜進(jìn)行疲勞分析和壽命預(yù)測

計(jì)算材料和機(jī)械疲勞載荷譜的方法主要有兩種，即時(shí)域法和頻域法。其中時(shí)域法通過有效的疲勞載荷時(shí)間序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到風(fēng)機(jī)測試機(jī)械在某工況下的疲勞循環(huán)次數(shù)，從而得到疲勞載荷譜，完成對(duì)疲勞損傷壽命的估計(jì)。首先確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)所在風(fēng)場的風(fēng)速分布模型，并預(yù)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)在壽命期間可能出現(xiàn)的各種具體事件的數(shù)量信息。其次從數(shù)據(jù)中提取相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)存儲(chǔ)的單位與雨流數(shù)確定最大俘獲周期幅值，將雨流計(jì)數(shù)平均分成步長為1m/s風(fēng)速下的單位數(shù)據(jù)包。最后，將數(shù)據(jù)包的計(jì)數(shù)乘以相應(yīng)的風(fēng)速分布，計(jì)算累積頻率和估算壽命是否滿足設(shè)計(jì)要求。

三、結(jié)語

總而言之，經(jīng)過載荷測試后，所獲測試結(jié)果，時(shí)間序列曲線，主要包括風(fēng)況，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性，葉片、風(fēng)輪、塔架的載荷，葉片的擺振彎矩及軸扭矩隨方位角的變化，風(fēng)速測量統(tǒng)計(jì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)，疲勞載荷統(tǒng)計(jì)。

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