張磊安，王忠賓，劉衛(wèi)生，黃雪梅

(1.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州　221116；2.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博　255049；3.連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司，江蘇連云港　222000)

?

基于兩軸共振模式的風(fēng)電葉片疲勞加載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張磊安1,2,3，王忠賓1，劉衛(wèi)生3，黃雪梅2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255049；3.連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司，江蘇連云港222000)

摘要：為了縮短風(fēng)電葉片疲勞測試周期，提出了一種基于電驅(qū)動(dòng)的兩軸共振疲勞加載方法。給出了兩加載源速度和相位的檢測方法，并以此制定了同步控制策略。整個(gè)控制系統(tǒng)采用主從式兩級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架模式，采用高速脈沖計(jì)數(shù)傳感器測量2個(gè)加載源的速度和相位，采用激光測距儀測量葉片振幅，并采用Labview軟件開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控界面。試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)能很好地測量加載源的轉(zhuǎn)速、相位和葉片振幅等特征參數(shù)。

關(guān)鍵詞：安全檢測與監(jiān)控技術(shù)；風(fēng)電葉片；兩軸加載；控制系統(tǒng)；監(jiān)控界面；疲勞試驗(yàn)

E-mail:ziaver@163.com

張磊安，王忠賓，劉衛(wèi)生，等.基于兩軸共振模式的風(fēng)電葉片疲勞加載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(1):7-12.

風(fēng)電資源是潛力大、技術(shù)較為成熟的可再生能源，在減排溫室氣體、應(yīng)對氣候變化的新形勢下，越來越受到世界各國的重視，并已在全球被大規(guī)模開發(fā)利用[1-2]。葉片是風(fēng)電機(jī)組中最基礎(chǔ)和關(guān)鍵的部件之一，其可靠的質(zhì)量是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定性因素。一個(gè)較完整的葉片質(zhì)量測試流程通常包括3個(gè)試驗(yàn)：靜力加載試驗(yàn)、模態(tài)試驗(yàn)和疲勞加載試驗(yàn)。大量研究結(jié)果和事故現(xiàn)場表明，大約40%的葉片損壞屬于疲勞破壞，而交變疲勞載荷是導(dǎo)致風(fēng)電葉片疲勞破壞最主要的因素[3-6]。為了在葉片服役之前確定其抗疲勞性能，對風(fēng)電葉片進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)是最為可靠、也最有效的方式，因此，葉片疲勞試驗(yàn)加載系統(tǒng)及相關(guān)領(lǐng)域的研究變得至關(guān)重要。

實(shí)際風(fēng)況下葉片面向和弦向載荷相位近似呈高斯分布，72°出現(xiàn)的概率最大[7]，因此對葉片面向和弦向分別施加激勵(lì)的單軸疲勞試驗(yàn)加載方法與實(shí)際風(fēng)況相差較大，會(huì)造成疲勞壽命測試結(jié)果嚴(yán)重失真。根據(jù)某葉片制造公司提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)：理論壽命為15~20 a的風(fēng)電葉片雖然通過了單軸疲勞加載試驗(yàn)，但實(shí)際生命周期遠(yuǎn)低于該值，說明單軸疲勞加載方法并不是很有效的加載方式。因此，本文提出兩軸共振疲勞加載新方法(電驅(qū)動(dòng)共振)提高試驗(yàn)彎矩分布精度，進(jìn)而達(dá)到可靠地測試葉片疲勞壽命的目的。在葉片面向(xoy平面)，加載源A旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭矩，給葉片施加激振力做面向共振；在葉片弦向(xoz平面)，加載源B旋轉(zhuǎn)做循環(huán)往復(fù)的圓錐擺運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生激振力迫使葉片做弦向共振。本文提出的兩軸共振加載方法采用面向和弦向載荷的合成力進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)，該方法不僅能縮短試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)成本，而且葉片所受的激振力更接近于實(shí)際風(fēng)況，因此更能提高風(fēng)電葉片疲勞試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

基于上述原因，本文開發(fā)了一套風(fēng)電葉片兩軸共振(電驅(qū)動(dòng))疲勞加載試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)制定了檢測方法和控制策略。

1兩軸加載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　兩軸加載監(jiān)控方案設(shè)計(jì)

風(fēng)電葉片兩軸疲勞加載系統(tǒng)由加載基座、風(fēng)電葉片、加載源(A，B)等構(gòu)成，加載源為空間非對稱交叉布局。加載基座固定在地面上，葉片根部采用多個(gè)螺栓緊固在基座上，加載系統(tǒng)由異步電動(dòng)機(jī)、偏心塊、夾具和檢測系統(tǒng)等組成，2個(gè)激光測距儀固定在地面上，用于獲得葉片2個(gè)方向的振幅變化，2個(gè)加載源旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力帶動(dòng)葉片在2個(gè)方向產(chǎn)生振動(dòng)，總體方案如圖1所示。

圖1　風(fēng)電葉片兩軸共振疲勞加載方案Fig.1　Dual-axis resonance fatigue loading scheme of wind turbine blade

整個(gè)控制系統(tǒng)采用分布式兩級網(wǎng)絡(luò)模式，如圖2所示。2個(gè)從控制器通過變頻器來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，激光測距儀通過RS485總線將當(dāng)前葉片振幅實(shí)時(shí)傳遞給從控制器?？刂扑惴▌t在主控制器里實(shí)現(xiàn)，主控制器與從控制器之間通過CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。主控制器與監(jiān)控界面通過RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向交互，所有信息均顯示在監(jiān)控界面上。

圖2　分布式網(wǎng)絡(luò)控制構(gòu)架圖Fig.2　Distributed network control architecture

1.2　轉(zhuǎn)速差、相位差、振幅檢測原理

高速計(jì)數(shù)傳感器采用先進(jìn)的檢測技術(shù)，可以分辨轉(zhuǎn)過檢測面的每一個(gè)齒頂和齒谷，并將其轉(zhuǎn)換成方波輸出，所以每個(gè)加載源的電機(jī)上安裝1個(gè)測速齒輪和2個(gè)傳感器，如圖3所示。測速齒輪有180個(gè)齒，每個(gè)齒為2°。

圖3　轉(zhuǎn)速差、相位差檢測方案Fig.3　Speed difference and phase difference detection scheme

定義每個(gè)偏心塊產(chǎn)生的離心力合力為重心線(記作M1和M2)，如果兩條重心線一直維持在一個(gè)恒定的角度，說明2個(gè)加載源振動(dòng)同步。以2個(gè)加載源為例，速度差Δv(t)(rad/s)和相位差Δφ(t)(rad)可分別表示為

(1)

ΔM(t)=ΔM(0)+∫Δv(t)tdt,

(2)

(3)

圖4　脈沖捕捉中斷程序Fig.4　Pulse capture interrupt program

式中：v1(t)，v2(t)為t時(shí)刻偏心塊的速度；M1(t)，M2(t)為t時(shí)刻偏心塊的位置；Δφ(t)為0~t時(shí)間段相位差之和；ΔM(0)為初始位置。

根據(jù)式(1)—式(3)可知，要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片兩軸共振疲勞試驗(yàn)，可通過相應(yīng)的控制策略控制每個(gè)偏心塊的速度，從而保證2個(gè)加載源的相位差恒定。

在測速齒輪上還有一個(gè)零位標(biāo)志，當(dāng)零位傳感器檢測到零位標(biāo)志時(shí)，將齒數(shù)清零，實(shí)現(xiàn)檢測2個(gè)加載源相位的目的。當(dāng)測速齒輪轉(zhuǎn)過1個(gè)齒時(shí)，控制器便捕獲到1個(gè)脈沖信號，觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中把齒數(shù)加1。捕獲齒數(shù)的中斷流程如圖4所示。

激光測距儀采用單向傳輸模式，串行通信協(xié)議如表1所示，每個(gè)數(shù)據(jù)采用3 byte表示，通信格式：19200.EVEN.8.1，發(fā)送周期設(shè)定為T=30 ms。

表1　激光測距通信協(xié)議

1.3　同步控制理論及方法

在風(fēng)電葉片兩軸共振疲勞加載試驗(yàn)過程中，2個(gè)加載源相位差的恒定控制可通過速度調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，即2個(gè)加載源的速度必須協(xié)調(diào)同步。在同步控制理論研究方面，國內(nèi)外學(xué)者取得了大量的、可借鑒的研究成果[8-20]。本文擬采用基于速度補(bǔ)償器的控制策略，其控制思想是：每個(gè)加載源均采用速度反饋，第1個(gè)設(shè)為主加載源，第2個(gè)設(shè)為從加載源，電機(jī)電壓均為Ur，比較2個(gè)加載源的速度，其差值經(jīng)過速度補(bǔ)償器(PI控制器)反饋到控制器的輸入端，因此加載源的速度控制量ui(k)(i=0,1)可表示為

(4)

式中：kc1為從加載源的速度補(bǔ)償系數(shù)；kv1為從加載源的速度反饋系數(shù)；C1(k)為從加載源的速度補(bǔ)償函數(shù)，其表達(dá)方程為

(5)

式中：kP為比例系數(shù)；kI為積分系數(shù)。

加載源的速度調(diào)節(jié)通過變頻器實(shí)現(xiàn)。為了便于分析，將變頻器簡化為比例環(huán)節(jié)，即變頻器-電機(jī)的傳遞函數(shù)可表示為[21]

(6)

式中：Kf為變頻器系數(shù)；p為電機(jī)極對數(shù)；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Km為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

圖5　現(xiàn)場試驗(yàn)Fig.5　Test device

2試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1　試驗(yàn)平臺的搭建

本文給出了一套小型風(fēng)電葉片兩軸疲勞加載試驗(yàn)系統(tǒng)，主要由三相異步電機(jī)、變頻器、測速傳感器和控制器組成，每個(gè)電機(jī)輸出軸上安裝1個(gè)測速齒輪，偏心塊和測速齒輪固結(jié)在一起。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示，試驗(yàn)裝置參數(shù)如表2所示。為了能方便地修改、控制參數(shù)，并實(shí)時(shí)采集、存儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于Labview軟件開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控界面，如圖6所示。

圖6　上位機(jī)監(jiān)控界面Fig.6　Monitor interface

表2　試驗(yàn)裝置參數(shù)Tab.2　Test device parameters

2.2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定加載源的初始轉(zhuǎn)速分別為n1=420 r/min，n2=580 r/min，該等效加載頻率與葉片2個(gè)加載面的一階固有頻率相同。以葉片面向振動(dòng)為例，試驗(yàn)結(jié)果如圖7—圖9所示。

圖7　葉片振幅試驗(yàn)曲線Fig.7　Blade amplitude test curve

圖8　加載源A轉(zhuǎn)速差試驗(yàn)曲線Fig.8　Speed difference test curve of loading source A

圖9　加載源A相位差試驗(yàn)曲線Fig.9　Phase difference test curve of loading source A

從試驗(yàn)曲線得出，葉片振幅在經(jīng)過一段時(shí)間波動(dòng)后，逐漸趨于平穩(wěn)，維持在20 cm左右，加載源的相位差也逐漸趨于零，此時(shí)發(fā)生了共振現(xiàn)象。2個(gè)加載源的轉(zhuǎn)速在速度補(bǔ)償器的控制策略下，速度差基本維持在±5 r/min區(qū)間內(nèi)，基本消除了加載系統(tǒng)固存著的機(jī)電耦合現(xiàn)象，說明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)，該監(jiān)控系統(tǒng)能很好地對試驗(yàn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行顯示、采集和存儲，完全能滿足風(fēng)電葉片兩軸共振疲勞試驗(yàn)的技術(shù)要求。

3結(jié)語

為了縮短風(fēng)電葉片疲勞測試周期，本文提出了基于空間非對稱交叉布局的風(fēng)電葉片兩軸共振疲勞加載方案。詳細(xì)介紹了兩軸共振疲勞加載系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，對加載源的轉(zhuǎn)速差、相位差及葉片振幅測量方案進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并制定了相應(yīng)的控制策略，同時(shí)開發(fā)了上位機(jī)人機(jī)監(jiān)控界面。本文開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)具有界面友好、操作簡單的特點(diǎn)，現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的穩(wěn)定性。該兩軸共振疲勞加載系統(tǒng)為風(fēng)電葉片兩軸共振試驗(yàn)及其解耦控制算法的開發(fā)提供了一個(gè)良好的試驗(yàn)平臺，對提高疲勞加載試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免產(chǎn)品批量化可能對未來產(chǎn)生的更大市場風(fēng)險(xiǎn)，加速風(fēng)電向真正意義上的“綠色風(fēng)電”轉(zhuǎn)化具有良好的理論指導(dǎo)意義和推動(dòng)作用。

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Design of fatigue loading monitoring system for wind turbine

blades under dual-axes resonance mode

ZHANG Leian1,2,3, WANG Zhongbin1, LIU Weisheng3, HUANG Xuemei2

(1.School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;2.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo, Shandong 255049, China;3.Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composite Group Company Limited, Lianyungang, Jiangsu 222000, China)

Abstract:In order to shorten fatigue test period of wind turbine blades, a fatigue loading method based on the dual-axes resonance driven by electricity is proposed. The method for detecting the speed and phase of the two loading sources is given, and the synchronization control strategy is figureted. The master-slave network framework mode is applied in the control system. The speed and phase of the two loading sources are measured by using high-speed pulse counting sensor, the blade amplitude is obtained by laser range finder, and the PC monitoring interface is developed by using Labview. Test results show that the speed, phase, blade amplitude of the loading sources and other characteristic parameters can be measured well by using the monitoring system, which provides a new test platform for dual-axis resonance fatigue test of wind turbine blades.

Keywords:security detection and monitoring technology; wind turbine blades; dual-axes loading; control system; monitoring interface; fatigue loading test

作者簡介：張磊安(1982—)，男，山東即墨人，講師，博士，主要從事機(jī)電一體化系統(tǒng)方面的研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51405275，51305243)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2014EL027)；中國博士后科學(xué)基金(2015M571840)

收稿日期：2015-07-10；修回日期：2015-09-28；責(zé)任編輯：馮民

中圖分類號：TH113

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbkd.2016yx01002

文章編號：1008-1542(2016)01-0007-06