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變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-11-21  來源:復(fù)材應(yīng)用技術(shù)網(wǎng)  瀏覽次數(shù):90
核心提示:本文通過對結(jié)構(gòu)體的自振頻率分析,以受迫振動構(gòu)件強度為計算模型[1],計算出所需的迫振功率。利用了變頻器可對交流電動機無級調(diào)速特性,掃描捕捉結(jié)構(gòu)件的自振點。利用其具有恒轉(zhuǎn)矩,并可長期穩(wěn)定地在設(shè)定的工作頻率范圍中工作的特點,制成對大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件進行低階自振頻率測試和結(jié)構(gòu)件的疲勞試驗專用試驗設(shè)備。

1 前 言

隨著一次能源日趨枯竭以及不可再生和對環(huán)境造成嚴(yán)重污染等世界性問題的不斷產(chǎn)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(fēng)能等這些可再生能源的開發(fā)與應(yīng)用。

我國的風(fēng)能利用是從“七·五”起開始進行研究工作,由于受當(dāng)時的技術(shù)條件限制,只研制了一些小型風(fēng)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(fēng)能利用,對風(fēng)力機進行大型化的研制開發(fā),主要研制容量為幾百千瓦到幾兆瓦級的風(fēng)力機機組。

我院作為項目主要研制單位之一,承擔(dān)了對風(fēng)力機葉片、導(dǎo)流罩、機艙罩等研制工作。其中以風(fēng)力機葉片為主,對其進行了大量的研究,如氣動性能、力學(xué)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(fēng)力機玻璃鋼葉片設(shè)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(huán)境及風(fēng)載荷的組合影響:陣風(fēng)、湍流、風(fēng)剪、斜風(fēng)、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(fù)雜。疲勞分析通常采用確定性的和隨機的方法,既要通過復(fù)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(shè)備也有著相應(yīng)的要求。

玻璃鋼葉片又受到風(fēng)電機組的制約,也就是說葉片必須要與風(fēng)電機組相匹配。在風(fēng)力發(fā)電機組容量增大后,其相匹配的葉片長度、受風(fēng)面積也相應(yīng)擴大,葉片的單片長度發(fā)展到約為三十幾米到五、六十米,葉展直徑可達(dá)七、八十米至一百多米。為了保證設(shè)計可靠性,必須對葉片做1:1的結(jié)構(gòu)試驗,其中包括構(gòu)件的疲勞試驗,迫振交變次數(shù)往往要達(dá)5×108以上,所以要求試驗用加載設(shè)備必須具備連續(xù)性、大載荷、高可靠性等特點,以滿足試驗需要。

2 試驗設(shè)備選配

圖1所示對玻璃鋼葉片所做的結(jié)構(gòu)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。

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

  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(dá)到20t·m~>100t·m以上,力學(xué)理論[3]上認(rèn)為在“P”點加上一個很小的力,只要該物體進入共振狀態(tài),對于無阻尼系統(tǒng),那這個力就會無限放大。其計算公式:

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

(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。

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

  圖2 無阻尼特性曲線

但在工程上存在著諸多因素,比如結(jié)構(gòu)件的連接剛性,構(gòu)成結(jié)構(gòu)件材料等,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在阻尼。當(dāng)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(chǎn)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:

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

(2)

式中

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

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。

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

  圖3 無阻尼特性曲線
 

 

      在做小型結(jié)構(gòu)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(shè)備技術(shù)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(jù)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(shè)備,在確定試驗方案前,首先要對試驗設(shè)備進行可行性認(rèn)證,擬定了幾種方案:

(1)引進或國內(nèi)定制專用設(shè)備;

(2)用液壓激振系統(tǒng)加載;

(3)用直流調(diào)速驅(qū)動偏心輪激振。

以上三種方案優(yōu)點:加載穩(wěn)定,設(shè)備專業(yè)性強,加載精度高。但如液壓控系統(tǒng)復(fù)雜,安裝調(diào)試不方便,引進或定制專用設(shè)備費用昂貴,且設(shè)備的互用性差,這些設(shè)備往往在產(chǎn)品的開發(fā)期間使用,項目一旦完成,產(chǎn)品轉(zhuǎn)入產(chǎn)業(yè)化后,有許多試驗設(shè)備將被閑置,造成產(chǎn)品開發(fā)研制成本較高。

通過對有關(guān)試驗設(shè)備的調(diào)研及查閱相關(guān)資料后,最終選用了變頻調(diào)速驅(qū)動偏心輪方法。

3 技術(shù)準(zhǔn)備

根據(jù)材料力學(xué)中的共振理論,任何振動物體都存在著阻尼現(xiàn)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(shè)葉片迫振為一個單自由度彈性系統(tǒng)。電機轉(zhuǎn)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(fā)生受迫振動??筛鶕?jù)理論力學(xué)中單自由度彈性系統(tǒng)受迫振的公式計算。

靜位移計算公式:

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

(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:  

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

(4)

共振時電動機的臨界轉(zhuǎn)速計算公式:

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

(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

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

(6)

考慮阻尼情況下的共振時放大系數(shù)計算公式為:

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

(7)

動荷系數(shù)為:

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

(8)

式中,H為慣性力,P為靜載荷重量。

根據(jù)玻璃鋼葉片在激振力H sin pt作用下,在靜平衡位置發(fā)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(zhuǎn)速ncr值,再計算電動機軸上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩與功率[4]。

電動機軸上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

(10)

式中,Md為動態(tài)(加減速)轉(zhuǎn)矩,MD為電動機轉(zhuǎn)矩,Ml靜阻負(fù)載轉(zhuǎn)矩,GD2=4J,N為轉(zhuǎn)速,g為重力加速度。

電動機功率計算公式:

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用



      式中,nD為電動機轉(zhuǎn)速。

與變頻器相匹配時還應(yīng)考慮以下因素:

(1)與斬波頻率有關(guān)的鐵損[5],由下式顯見,鐵損是頻率與

磁通的函數(shù),其表達(dá)式為

變頻器在大型玻璃鋼結(jié)構(gòu)件疲勞試驗中應(yīng)用

(12)

式中,ε、σ為由鐵芯的材料、厚度等決定的常數(shù);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(chǎn)生相當(dāng)大的鐵損。

(2)防止低頻下的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩下降,如圖四中虛線所示,通常補償電阻產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)時冷卻效果降低。

由于做疲勞時電機處于長期低速運轉(zhuǎn)狀態(tài),靠自身風(fēng)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(dá)±200~400cm左右),從而會產(chǎn)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(fēng)力機葉片疲勞試驗用電機容量為15.0kW,四極電機,曲柄質(zhì)量270kg,質(zhì)心距離旋轉(zhuǎn)中心446mm,力矩1204N/m,選用愛默生EV200-4T0185G1恒轉(zhuǎn)矩變頻器。

 
 
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