风力发电机组机械载荷测试及疲劳分析

李太安+孙彦利+赖如辉+高伟

【摘 要】风力发电机组机械载荷测试主要是为了验证风力发电机组设计计算的有效，并确定特殊状况下整机承受的载荷大小。据此，本文对风力发电机组机械载荷测试及疲劳进行了具体分析。

【关键词】风力发电机组；机械；载荷测试；疲劳分析

目前我国形成了最大规模的中小型风力发电市场，但是其中很多发电机生产企业的产品质量参差不齐，市场销售产品大部分没有经过测试和认证，导致一些劣质产品充斥市场。这就需要风力发电企业必须加强对机械进行检测，尤其是机械的载荷，测试的项目主要包括叶片静载荷测试、电机主轴弯矩和扭矩动态测试以及塔架底部的偏航力矩、俯仰弯矩静态测试，其中以叶片静载荷测试为主。

一、风力发电机组机械荷载测试

（一）叶片测试原理

进行叶片检测时，需要先测量物理特性。叶片静力试验就是对叶片施加载荷，同时在叶片上粘贴应变片采集叶片应力应变信号数据。在进行测试时，首先建设一个拥有足够刚、强度和稳定性的固定基座，试验过程中，将叶片安装到试验台上。在叶片静力试验期间，叶片的加载载荷必须不间断地测量，同时需要利用分布在叶片上的应变片测量叶片结构的应变。采用起重机、绞盘、葫芦或其它加载方式，一般采用起重器垂直加载或葫芦水平加载，条件受到限制，也可以采用沙包等重物模拟施加压力的方式进行。对叶片加载的同时，采用电测法测量应变信号。测试方案为距离叶片根部的截面施加静载荷，加载方法为初级载荷按满载荷的10%，进行分级协调加载，试验载荷通过起吊设备和安装在叶片上的加载夹具传递到叶片上，其矢量方向通过叶片的剪切中心。

（二）叶片测试

安装叶根转换器及叶片翻身，将叶片翻转到Flapwise-Max方向，压力侧朝上，安装角度为-185°。将叶片安装到试验台，通过两点起吊的方式，将叶片吊到静力试验台。安装定位连接螺栓，就是通过72根M36的长螺栓将转换器安装到试验台上。转换器与试验台连接，通过液压扳手将转换器与试验台紧密连接。安装Flapwise-Max时，检测相关夹具及保护钢丝绳。检测安装试验相关测试设备及连接测试导线。叶片调平，根据调平载荷数据将叶片调整到水平状态。画水平零度线并作预加载60%的加载试验，叶片调平后，在位移线上做出标记，然后进行预加载60%的试验。进行加载试验，如果温度低于20℃时，每降低5 ℃额定载荷需增加1%，由于试验温度为5℃，所以试验时，需要加载到103%，并记录试验时的温度、湿度和叶根水平度，给出加载103%时测试效果图。Flapwise-Max方向测试结束，得出测试值及与理论值的偏差。依次进行试验。

（三）电机主轴弯矩和扭矩动态测试

电机主轴弯矩和扭矩动态测试的原理与叶片静载荷测试原理基本相似，唯一的区别是测点布置位置不同，如图1、图2所示。

在测试过程中，由于主轴是旋转的，针对主轴应变片进行数据传输，采用滑轮或无线连接的方式，如图3所示。

（四）塔架底部的偏航力矩和俯仰弯矩静态测试

塔架底部的偏航力矩和俯仰弯矩静态测试原理与叶片静载荷测试原理相同，应变片安装在塔架内壁上，应该尽量避免门、法兰盘、焊缝、平台的影响。安装位置如图4所示。

二、风力发电机组机械的疲劳分析

（一）平均应力的等效转换

平均应力对累计损伤具有较大的影响，所以必须按照等效损伤的原则，将非零平均应力的应力循环等效转换为零平均应力的应力循环。等效寿命曲线图是用来描述S-N数据的。在曲线图中，等效寿命曲线和相同的估算寿命之间建立联系，作为平均应力和应力幅值的函数。根据疲劳经验公式进行转换，经过转换，将二维矩阵压缩处理成一维矩阵，矩阵元素是关于应力幅值的，就可以进行载荷谱的编制过程。

其中，Si为等效零均值应力，Sai为第i个应力幅值，Smi为第i个应力均值，σb为拉伸强度极限。

（二）疲劳载荷谱的编制

表示测量随机载荷与出现次数关系的表格、图形和矩阵等称之为载荷谱。疲劳寿命预测结果在很大程度上是由载荷谱的准确性决定的。风机载荷——时间历程在经过处理后，会得到载荷循环次数。根据风速分布情况和风机设计寿命，便能够得到各个载荷工况在风机寿命期间的总循环次数，从而绘制风机疲劳载荷谱。横坐标用来表示载荷循环次数，纵坐标用来表示疲劳载荷大小，就能够完整地生成疲劳载荷谱。编制风机疲劳载荷谱是设计机械结构，预测疲劳寿命的基础。

（三）利用载荷谱进行疲劳分析和寿命预测

计算材料和机械疲劳载荷谱的方法主要有兩种，即时域法和频域法。其中时域法通过有效的疲劳载荷时间序列的数据进行统计处理，得到风机测试机械在某工况下的疲劳循环次数，从而得到疲劳载荷谱，完成对疲劳损伤寿命的估计。首先确定风力发电机所在风场的风速分布模型，并预测风力发电机在寿命期间可能出现的各种具体事件的数量信息。其次从数据中提取相关数据，对存储的单位与雨流数确定最大俘获周期幅值，将雨流计数平均分成步长为1m/s风速下的单位数据包。最后，将数据包的计数乘以相应的风速分布，计算累积频率和估算寿命是否满足设计要求。

三、结语

总而言之，经过载荷测试后，所获测试结果，时间序列曲线，主要包括风况，风力发电机组运行特性，叶片、风轮、塔架的载荷，叶片的摆振弯矩及轴扭矩随方位角的变化，风速测量统计，风力发电机组运行参数统计，疲劳载荷统计。

参考文献：

[1]杨婷，杜文超，杨贺，等.风电叶片静载荷应变测试试验[J].实验室研究与探索，2011，30（11）：33-39.

[2]许晓燕，颜鸿斌，李东，等.风机叶片静载荷和模态测试技术[J].宇航材料工艺，2011（2）：43-46.