风电叶片疲劳共振加载方式参数分析及试验

近年来，风电行业发展迅速，风电叶片是风电 机组的重要组成部分之一，对于新型号的叶片，通 常需要对其进行静力及疲劳加载测试以验证叶片 的结构静强度和疲劳强度。其中叶片的寿命很 大程度上取决于其抗疲劳性能，因此叶片的疲劳加 载试验至关重要。早期对叶片的疲劳加载测试 通常采用强制加载方式。美国国家可再生能源实 验室于 2004 年研制了强制加载设备，通过液压执行机构施加强制力或控制位移方式使叶片的振幅达到设定 值，进而完成疲劳振动测试。虽然强制加载方式 可操作性比较强，能够较为容易地实现试验要求， 但该种加载方式的激振设备功率过高，能 耗 较大。 针对强制加载耗能过大的劣势，共振加载方式 应用逐渐***。目前常用的疲劳共振加载方式有 旋转离心式和往复惯性式。这两种共振加载方式 其实质都是利用质量块运动产生的惯性力激励叶片，且激振频率接近叶片的固有频率。Eder 等采 用两个旋转离心激振设备实现对叶片的多点共振 疲劳加载; Snowberg 等、Post 等采用液压往复 惯性激振设备实现对叶片的共振加载; 乐韵斐等［10］ 设计了电动往复式惯性加载设备，实现了对叶片的 共振疲劳加载; 同济大学相关研究团队也先后设计 了旋转离心式及往复惯性式加载设备及配套的激 振控制策略。虽然这两种共振加载方式弥补 了强制加载方式激振设备功率高、能耗大的不足， 但在对叶片进行挥舞方向疲劳测试时，激振设备需 要提供额外的力来克服运动质量块自身的重力，因 此，激振设备也造成一部分的功率的消损。此外，激 振设备的合理选型也是叶片疲劳测试的一大难点， 激振设备功率过小，无法让叶片满足测试要求; 激 振设备功率过大，增加了测试费用，经济性较差。 并且设备选型还依赖于测试人员的经验，这也增加 了测试的准备时间。

针对常用共振加载方式的不足及激振设备选 型困难等问题，现提出一种直驱式疲劳共振加载 新方式，并对三种共振加载方式分别进行动力学 建模和设备相关参数分析，建立三种设备所需电 机功率与叶片自身共振功率之间的关系，并结合 某型 50 m 叶片进行实例分析，得到三种加载方式 下各激振设备所需电机参数，以验证直驱式加载 方法的优越性，并为疲劳测试人员根据不同测试 场景快速合理地选择激振设备提供理论依据。

1 叶片疲劳测试动力学模型

风电叶片具有变截面特征，叶片沿展长方向的 力学性质存在差异性，为此可根据叶片各截面的刚 度等参数将叶片离散化建模，由于所分析的是各加 载方式激振设备的相关参数，因此可将叶片离散化 振动模型等效为激振位置处的单点质量块-刚度-阻 尼模型，建立以叶根截面中心为原点的坐标 系，平行地面且垂直叶片轴线为 x 坐标，相对于地面 的垂直方向为 y 坐标，沿叶片轴线为 z 坐标，如图 1 所示。 

2 叶片疲劳测试方式 

目前对叶片进行疲劳测试都是采用共振加载 方式，共振加载原理是: 对叶片施加简谐激振力， 且激振频率接近叶片的固有频率，让叶片产生明 显的振型。常用的共振加载方式有旋转离心式、 往复惯性式和直驱式。三种共振加载方式所需激 振设备不同，因此激振设备各参数也不同。结合 叶片的受迫共振，可以进一步分析三种共振加载 方式在对叶片进行疲劳测试时激振设备各自的工 作参数。 

2. 1 旋转离心式共振加载方式 旋转离心式共振疲劳加载方式是利用安装在 叶片夹具上的动力装置驱动偏心质量块旋转产生 的离心力对风电叶片进行加载。叶片旋转质量离 心式垂直疲劳加载装置由变频器、电机、减速机、偏 心质量块等组成，如图 2 所示。

参照图 1 和图 2 可建立如图 3 所示的挥舞方向 离心式加载系统动力学模型，离心式坐标系原点设 在叶片静止时运动质量块旋转中心处。运动质量 块初始位置在激振器的**下端，叶片初始位置为静 力平衡位置。

2. 2 往复惯性式共振加载方式 往复惯性式疲劳加载方式也是利用安装在叶 片夹具上的动力装置驱动质量块在叶片加载方向 做往复直线运动，利用运动质量块产生的惯性力使 叶片往复振动进行疲劳加载。往复惯性式共振加 载系统通常由液压作动器或伺服电机、滚珠丝杠构 成。叶片电动伺服往复式疲劳加载装置如图 4 所 示。将往复式挥舞方向共振加载系统简化成如图 5 所示的模型。

2. 3 直驱式共振加载方式 直驱式共振加载方式通过安装在固定装置上 的执行机构产生的简谐激振力对风电叶片进行共 振加载。直驱式共振加载方式可由伺服电机、缆绳 和减速机构成，如图 6 所示。直驱式共振加载方式 的激振器不安装于叶片上，故将其简化为如图 7 所 示的模型。

3 实例分析激振器参数 

以某型 50 m 叶片挥舞方向加载为例，所需的激 振力两侧峰峰值为 10 000 N，激振频率为 0. 479 Hz， 激振位置为 20 m 处，激振处叶片振幅 Y = 0. 405 m， 离心式共振法中取质量块的旋转半径 r = 0. 4 m，往复式共振法中取质量块运动的单侧行程为 S = 0. 4 m，分别计算采用离心式、往复式和直驱式加载 方式所需的电机输入功率、最大转速等相关参数， 其中离心式、直驱式中减速器的传动比 i = 50，卷筒 半径 L = 0. 4 m，往复式共振法中滚珠丝杠的导程 h = 0. 02 m。

4 结论 针对离心式、往复式和直驱式三种叶片共振加 载方式分析了其动力学模型并得到激振器所需参 数的解析解，通过实例分析得出以下结论。 ( 1) 建立了三种疲劳加载方式激振设备的参数 解析式，通过叶片的固有参数和设计值便可快速确 定激振设备的合理型号。 ( 2) 建立了三种加载方式比较大激振功率与叶片 振动功率之间的关系，以功率比值系数 δi 表示，通 过功率比值系数可以快速较准确估算电机所需的 功率。当激振点作用于靠近叶尖处时，其振幅越 大，离心式与往复式电机克服质量块自重产生的额 外功率的占比越小。 ( 3) 三种共振加载方式中直驱式共振加载方式 激振功率**小，这是因为直驱式共振加载方式中负 载力不用克服激振器运动质量块的自重，进而减小 了总的输出功率。离心式共振加载所需电机功率 比往复式共振加载电机的输出功率略小，这是因为 离心式旋转质量块在沿着叶片展长方向存在分运 动，总的负载力矩小于往复式电机的负载力矩，进 而导致功率略小于往复式功率。 ( 4) 直驱式激振设备所需功率及能耗**小，因 此在进行叶片疲劳测试时，可优先选用直驱式疲劳 加载方式。