1 前 言

隨著一次能源日趨枯竭以及不可再生和對環境造成嚴重污染等世界性問題的不斷產生，為了尋找可替代能源，世界各國在這方面都投入大量的人力與物力，做了大量的研究工作。比如，對太陽能、潮汐能、風能等這些可再生能源的開發與應用。

我國的風能利用是從“七·五”起開始進行研究工作，由于受當時的技術條件限制，只研制了一些小型風力機，容量也就是幾十瓦到幾百瓦。從“八·五”起我國政府投入大量資金，要求提高對風能利用，對風力機進行大型化的研制開發，主要研制容量為幾百千瓦到幾兆瓦級的風力機機組。

我院作為項目主要研制單位之一，承擔了對風力機葉片、導流罩、機艙罩等研制工作。其中以風力機葉片為主，對其進行了大量的研究，如氣動性能、力學性能等。

因為玻璃鋼葉片作為主要的受力件，既要求重量輕，又要求有足夠的受力強度，所以一般采用空腹、主梁加外殼的剖面形式。大型風力機玻璃鋼葉片設計的一個很重要方面是疲勞強度分析[2]。葉片使用壽命大于20年，在整個使用期間，葉片受到各種外界環境及風載荷的組合影響：陣風、湍流、風剪、斜風、偏航、起動剎車、重力與慣性力、冰雪載荷等，其中有確定性載荷和隨機的載荷，葉片載荷較復雜。疲勞分析通常采用確定性的和隨機的方法，既要通過復雜計算確定，還必須對玻璃鋼葉片進行各種受力試驗，其中包括疲勞試驗。而不同的試驗對其試驗設備也有著相應的要求。

玻璃鋼葉片又受到風電機組的制約，也就是說葉片必須要與風電機組相匹配。在風力發電機組容量增大后，其相匹配的葉片長度、受風面積也相應擴大，葉片的單片長度發展到約為三十幾米到五、六十米，葉展直徑可達七、八十米至一百多米。為了保證設計可靠性，必須對葉片做1:1的結構試驗，其中包括構件的疲勞試驗，迫振交變次數往往要達5×108以上，所以要求試驗用加載設備必須具備連續性、大載荷、高可靠性等特點，以滿足試驗需要。

2 試驗設備選配

圖1所示對玻璃鋼葉片所做的結構迫振交變疲勞試驗時的固定方式、加載位置和加載方向及受力時的運動方向。

　　圖1 葉片迫振受力及運動方向示意圖

葉片以懸臂梁形式固定于剛性體上，葉梢扭角呈水平面安裝，并在近梢尖處加上交變力“P”，進行振動測試與疲勞試驗。

葉片的疲勞試驗，其根端所受力矩一般可達到20t·m～>100t·m以上，力學理論[3]上認為在“P”點加上一個很小的力，只要該物體進入共振狀態，對于無阻尼系統，那這個力就會無限放大。其計算公式：

(1)

式中ωp為激振頻率，ωn為自振頻率，uo為靜位移，up 為動位移。

無阻尼特性曲線見圖2。

　　圖2 無阻尼特性曲線

但在工程上存在著諸多因素，比如結構件的連接剛性，構成結構件材料等，結構系統存在阻尼。當在“P”點上加載一個恒定的交變力，并且加載頻率與葉片的固有頻率接近或一致時，葉片產生共振，但由于阻尼的存在，葉片的變形不會無限大。

阻尼計算公式：

(2)

式中

為阻尼比，ωp為激振頻率，ωn為自振頻率，uo為靜位移，up為動位移。

其特性曲線見圖3。

　　圖3 無阻尼特性曲線
 

 

      在做小型結構件振動試驗時，用電磁激振器給試件加載方法，由于受試驗設備技術條件的限制，其最大輸出功率只有100Kg/m，最大交變行程為±50mm，且受到電子功率放大器限制，根本不能長時間工作。根據對大型玻璃鋼葉片的試驗要求必須要有能做長期疲勞試驗的設備，在確定試驗方案前，首先要對試驗設備進行可行性認證，擬定了幾種方案：

(1)引進或國內定制專用設備;

(2)用液壓激振系統加載;

(3)用直流調速驅動偏心輪激振。

以上三種方案優點：加載穩定，設備專業性強，加載精度高。但如液壓控系統復雜，安裝調試不方便，引進或定制專用設備費用昂貴，且設備的互用性差，這些設備往往在產品的開發期間使用，項目一旦完成，產品轉入產業化后，有許多試驗設備將被閑置，造成產品開發研制成本較高。

通過對有關試驗設備的調研及查閱相關資料后，最終選用了變頻調速驅動偏心輪方法。

3 技術準備

根據材料力學中的共振理論，任何振動物體都存在著阻尼現象，為了克服阻尼維持共振，就必須對該物體不斷加力以維持共振。假設葉片迫振為一個單自由度彈性系統。電機轉子的角速度為p，由于偏心而引起的慣性力為H，其鉛垂分量Hsin pt是一個隨時間作周期性變化的激振力。在周期性變化的激振力作用下，玻璃鋼葉片將發生受迫振動。可根據理論力學中單自由度彈性系統受迫振的公式計算。

靜位移計算公式：

(3)

式中，C為玻璃鋼葉片的剛度，Δst為P作用下的靜位移。

玻璃鋼葉片的固有頻率計算公式：　　

(4)

共振時電動機的臨界轉速計算公式：

(5)


在共振情況下，激振頻率與玻璃鋼葉片的固有頻率相等，即

(6)

考慮阻尼情況下的共振時放大系數計算公式為：

(7)

動荷系數為：

(8)

式中，H為慣性力，P為靜載荷重量。

根據玻璃鋼葉片在激振力H sin pt作用下，在靜平衡位置發生受迫振動，其振幅計算公式：

B=βΔH (9)

式中，ΔH為將慣性力H作為靜載荷加在玻璃鋼葉片上時的靜位移。

求得所需B值與共振時電動機的臨界轉速ncr值，再計算電動機軸上的動態轉矩與功率[4]。

電動機軸上的動態轉矩

(10)

式中，Md為動態(加減速)轉矩，MD為電動機轉矩，Ml靜阻負載轉矩，GD2=4J，N為轉速，g為重力加速度。

電動機功率計算公式：

      式中，nD為電動機轉速。

與變頻器相匹配時還應考慮以下因素：

(1)與斬波頻率有關的鐵損[5]，由下式顯見，鐵損是頻率與

磁通的函數，其表達式為

(12)

式中，ε、σ為由鐵芯的材料、厚度等決定的常數;B為鐵芯的磁通密度;f為頻率。

另一方面，作為通用變頻器一般方式的PWM變頻器，其輸出波形中含有斬波頻率，與基波相比電壓分量小，但頻率高，因此給電機供電時就產生相當大的鐵損。

(2)防止低頻下的轉矩減小，對于V/F的控制方法，在頻率低的范圍由于電機定子電阻r1的壓降電機氣隙磁通減少，因而轉矩下降，如圖四中虛線所示，通常補償電阻產生的壓降補償變頻器輸出電壓，圖四實線所示，則可得到接近圖五中實線的轉矩特性。

(3)電機溫升問題，由于電機的溫度每升高10℃則壽命減半，由此可以理解溫升是一個非常重要的問題，引起溫升主要有：

① 高次諧波引起的損耗增大。

② 低速運轉時冷卻效果降低。

由于做疲勞時電機處于長期低速運轉狀態，靠自身風葉冷卻肯定無法滿足需要，但葉片在試驗時是作垂直上下運動(振幅可達±200～400cm左右)，從而會產生擾動氣流，正好利用擾動氣流幫助冷卻電機。試驗以后的冷卻效果還不錯。

通過計算，兆瓦級風力機葉片疲勞試驗用電機容量為15.0kW，四極電機，曲柄質量270kg，質心距離旋轉中心446mm,力矩1204N/m，選用愛默生EV200-4T0185G1恒轉矩變頻器。