风电叶片双惯性激振疲劳加载耦合振动特性

叶片为风电机组的主要部件，其寿命直接影 响 风力发电成本．疲劳测试作为风电叶片测试的重 要 环节，其目的在于测试叶片的疲劳寿命，同时提供试 验数据给设 计 人 员，改进风电叶片设计．目前 国 内外风电叶片疲劳加载试验通常是以沿叶片展向的 弯矩为试验依据，加载方法采用单点摆锤或液压 加 载进行疲劳性能测试．多激振器同步加载疲劳试 验风电叶片，可以解决单激振器功率有限的问题，但 加载系统振动过程中存在着能量传递，构成了一 个 复杂的非线性机电耦合系统．多加载源振动系统 耦 合如何影响转子的运动状态是有待深入研究的问 题，国内外研究人员在模型及数值仿真等方面展开 了研究，取得了很多的成果．风电 叶 片 多 激 励 疲 劳加载系统中激振器之间是基于叶片柔性连接，激 振器与风电叶片之间构成了一个复杂的非线性能量 传递系统，振动耦合机理更复杂．因此，研究其耦 合振动 特 性，弄 清 基 本 耦 合 规 律 具 有 较 大 的 现 实 意义． 基于以上原 因，本文针对风电叶片电驱动双惯 性同步激振疲劳加载系统，建立双激振器单点疲 劳 加载动力学模型，分析其在叶片共振条件下的稳 定 性条件，揭示耦合特性与机理，数值仿真得到不同加 载频率下叶片的振动特性，并通过试验对理论推 导 结果的正确性进行验证，为更加深入研究风电叶 片 的疲劳加载打下基础．

１ 疲劳加载系统动力学模型

电驱动 惯 性 叶 片 疲 劳 加 载 系 统 由 疲 劳 加 载 装 置、ＰＣ人机软件、就地控制柜、激光测距仪及应变仪 构成，其中疲劳加载装置如图１所示．激振器驱动质 量块往复简谐运动，产生惯性力驱动叶片振动，控制 调节双激振器质量块往复运动速度，使其同步运动， 通过激振频率接近叶片固有频率，使叶片加载系 统 达到共振状态．通过改变激振器的安装方式，可实现 叶片挥舞方向或摆振方向的加载．

２ 疲劳加载系统的耦合近似解析

为了分析激振器在理想状态下的电机转矩变化 情况，即 ｍｉ＝ｍ０，ｓｉ＝ｓ０，ｌｉ１＝ｌ０，βｉ１＝β０（ｉ＝１，２），采 用小参数周期平均法对方程组进行近似求解．设 加 载系统稳态运行时两激振器（质量块）平均相位为θ， 相位差为α，平均角速度为ω０，则激振器的相位分别 为θ１ 和θ２，振动系统运行时激振器平均角速度的波 动系数为ε１，瞬时 相 位 差 相 对 于 平 均 角 速 度 的 波 动 系数为ε２

３ 疲劳加载过程数值仿真分析 

采用 Ｍａｔｌａｂ软件对加载过程的振动特性进行 数值仿真，部分参数定义如下：叶片质量 Ｍ＝１４７４３ ｋｇ，质量块 ｍ１ ＝ｍ２ ＝１０００ｋｇ，加载 点 刚 度 值ｋ＝ ２３０ｋＮ·ｍ－１，阻尼比ξ＝０．０２５．激振频率分别取ω ＝３．０５ｒａｄ·ｓ－１、ω＝２．８５ｒａｄ·ｓ－１和ω＝３．４５ｒａｄ ·ｓ－１，仿真结果如图３所示．从仿真曲线可以看出， 当质量块角速度ω＝３．０５ｒａｄ·ｓ－１时，激振 频 率 接 近于叶片的低阶固有频率，曲线见图３ａ，叶片振幅逐 渐增大，趋于稳定；当激振频率小于叶片的固有 频率，且偏差较大时，曲线见图３ｂ，叶片振幅规则波 动后稳定．当激振频率大于叶片固有频率，且偏差较 大时，曲线见图３ｃ，叶片振幅也产生波 动，但 振 幅 趋 势逐渐变小，终基本趋于稳定．

４ 试验及分析 

将某型２．０ＭＷ 叶片根部固定在筒型加载支座 上，在叶片的２５ｍ 处夹具 上 固 定 加 载 装 置，沿 叶 片 展向３５ｍ 处添加４００ｋｇ及４７ｍ 处添加７００ｋｇ的 配重块．试验环境温度为２０℃、湿度为３０％，测试过 程中对频率、应 变、位 移 等 进 行 监 控，应 变 片 位 置 确 定为监控关键截面，应变仪精度为０．３％，激光测距 仪分辨 率 取 ０．１ ｍｍ，测 距 ３０ ｍ．试 验 现 场 如 图 ５ 所示．

５ 结论 

（１）针对风电叶片电驱惯性同步激振疲劳加载 系统，建立了叶片双激振器单点疲劳加载的机电耦 合数学模型，得到影响整个振动系统耦合特性的因 素主要是相位 差、加 载 力 矩、激 振 频 率、叶 片 各 个 方 向的刚度和阻尼、电机的机械特性等． （２）机械振动系统与动力系统通过负载转矩相 互影响，而负载转矩会影响电动机速度，激振器相位 差π／２时相位差为不稳定点，调节两电动机负载 转矩来实现系统激振器同步，耦合系数与稳定点 速 度等参数密切相关，较大惯量和驱动矩对系统的 稳 定是有益的． （３）运用数值仿真和试验方法对不同加载频率 下叶片振动曲线进行了验证，若两者频率相近时，叶 片稳定振幅达到比较大，两激振器之间相位也逐渐 增 大，共振时达 到 比较大，控 制 同 步 方 式 可 消 除 相 位 差， 叶片应变不会发生突变波动，使叶片振幅及应变 误 差减小，试验过程获取叶片振动参数方法正确可靠．