1 前 言
随着一次能源日趋枯竭以及不可再生和对环境造成严重污染等世界性问题的不断产生，为了寻找可替代能源，世界各国在这方面都投入大量的人力与物力，做了大量的研究工作。比如，对太阳能、潮汐能、风能等这些可再生能源的开发与应用。
我国的风能利用是从“七·五”起开始进行研究工作，由于受当时的技术条件限制，只研制了一些小型风力机，容量也就是几十瓦到几百瓦。从“八·五”起我国政府投入大量资金，要求提高对风能利用，对风力机进行大型化的研制开发，主要研制容量为几百千瓦到几兆瓦级的风力机机组。
我院作为项目主要研制单位之一，承担了对风力机叶片、导流罩、机舱罩等研制工作。其中以风力机叶片为主，对其进行了大量的研究，如气动性能、力学性能等。
因为玻璃钢叶片作为主要的受力件，既要求重量轻，又要求有足够的受力强度，所以一般采用空腹、主梁加外壳的剖面形式。大型风力机玻璃钢叶片设计的一个很重要方面是疲劳强度分析[2]。叶片使用寿命大于20年，在整个使用期间，叶片受到各种外界环境及风载荷的组合影响：阵风、湍流、风剪、斜风、偏航、起动刹车、重力与惯性力、冰雪载荷等，其中有确定性载荷和随机的载荷，叶片载荷较复杂。疲劳分析通常采用确定性的和随机的方法，既要通过复杂计算确定，还必须对玻璃钢叶片进行各种受力试验，其中包括疲劳试验。而不同的试验对其试验设备也有着相应的要求。
玻璃钢叶片又受到风电机组的制约，也就是说叶片必须要与风电机组相匹配。在风力发电机组容量增大后，其相匹配的叶片长度、受风面积也相应扩大，叶片的单片长度发展到约为三十几米到五、六十米，叶展直径可达七、八十米至一百多米。为了保证设计可靠性，必须对叶片做1:1的结构试验，其中包括构件的疲劳试验，迫振交变次数往往要达5×108以上，所以要求试验用加载设备必须具备连续性、大载荷、高可靠性等特点，以满足试验需要。
2 试验设备选配
图1所示对玻璃钢叶片所做的结构迫振交变疲劳试验时的固定方式、加载位置和加载方向及受力时的运动方向。
图1 叶片迫振受力及运动方向示意图
叶片以悬臂梁形式固定于刚性体上，叶梢扭角呈水平面安装，并在近梢尖处加上交变力“P”，进行振动测试与疲劳试验。
叶片的疲劳试验，其根端所受力矩一般可达到20t·m～>100t·m以上，力学理论[3]上认为在“P”点加上一个很小的力，只要该物体进入共振状态，对于无阻尼系统，那这个力就会无限放大。其计算公式：
(1)
式中ωp为激振频率，ωn为自振频率，uo为静位移，up 为动位移。
无阻尼特性曲线见图2。
图2 无阻尼特性曲线
但在工程上存在着诸多因素，比如结构件的连接刚性，构成结构件材料等，结构系统存在阻尼。当在“P”点上加载一个恒定的交变力，并且加载频率与叶片的固有频率接近或一致时，叶片产生共振，但由于阻尼的存在，叶片的变形不会无限大。
阻尼计算公式：
(2)
式中
为阻尼比，ωp为激振频率，ωn为自振频率，uo为静位移，up为动位移。
其特性曲线见图3。
图3 无阻尼特性曲线
在做小型结构件振动试验时，用电磁激振器给试件加载方法，由于受试验设备技术条件的限制，其最大输出功率只有100Kg/m，最大交变行程为±50mm，且受到电子功率放大器限制，根本不能长时间工作。根据对大型玻璃钢叶片的试验要求必须要有能做长期疲劳试验的设备，在确定试验方案前，首先要对试验设备进行可行性认证，拟定了几种方案：
(1)引进或国内定制专用设备;
(2)用液压激振系统加载;
(3)用直流调速驱动偏心轮激振。
以上三种方案优点：加载稳定，设备专业性强，加载精度高。但如液压控系统复杂，安装调试不方便，引进或定制专用设备费用昂贵，且设备的互用性差，这些设备往往在产品的开发期间使用，项目一旦完成，产品转入产业化后，有许多试验设备将被闲置，造成产品开发研制成本较高。
通过对有关试验设备的调研及查阅相关资料后，最终选用了变频调速驱动偏心轮方法。
3 技术准备
根据材料力学中的共振理论，任何振动物体都存在着阻尼现象，为了克服阻尼维持共振，就必须对该物体不断加力以维持共振。假设叶片迫振为一个单自由度弹性系统。电机转子的角速度为p，由于偏心而引起的惯性力为H，其铅垂分量Hsin pt是一个随时间作周期性变化的激振力。在周期性变化的激振力作用下，玻璃钢叶片将发生受迫振动。可根据理论力学中单自由度弹性系统受迫振的公式计算。
静位移计算公式：
(3)
式中，C为玻璃钢叶片的刚度，Δst为P作用下的静位移。
玻璃钢叶片的固有频率计算公式：
(4)
共振时电动机的临界转速计算公式：
(5)
在共振情况下，激振频率与玻璃钢叶片的固有频率相等，即
(6)
考虑阻尼情况下的共振时放大系数计算公式为：
(7)
动荷系数为：
(8)
式中，H为惯性力，P为静载荷重量。
根据玻璃钢叶片在激振力H sin pt作用下，在静平衡位置发生受迫振动，其振幅计算公式：
B=βΔH (9)
式中，ΔH为将惯性力H作为静载荷加在玻璃钢叶片上时的静位移。
求得所需B值与共振时电动机的临界转速ncr值，再计算电动机轴上的动态转矩与功率[4]。
电动机轴上的动态转矩
(10)
式中，Md为动态(加减速)转矩，MD为电动机转矩，Ml静阻负载转矩，GD2=4J，N为转速，g为重力加速度。
电动机功率计算公式：
式中，nD为电动机转速。
与变频器相匹配时还应考虑以下因素：
(1)与斩波频率有关的铁损[5]，由下式显见，铁损是频率与
磁通的函数，其表达式为
(12)
式中，ε、σ为由铁芯的材料、厚度等决定的常数;B为铁芯的磁通密度;f为频率。
另一方面，作为通用变频器一般方式的PWM变频器，其输出波形中含有斩波频率，与基波相比电压分量小，但频率高，因此给电机供电时就产生相当大的铁损。
(2)防止低频下的转矩减小，对于V/F的控制方法，在频率低的范围由于电机定子电阻r1的压降电机气隙磁通减少，因而转矩下降，如图四中虚线所示，通常补偿电阻产生的压降补偿变频器输出电压，图四实线所示，则可得到接近图五中实线的转矩特性。
(3)电机温升问题，由于电机的温度每升高10℃则寿命减半，由此可以理解温升是一个非常重要的问题，引起温升主要有：
① 高次谐波引起的损耗增大。
② 低速运转时冷却效果降低。
由于做疲劳时电机处于长期低速运转状态，靠自身风叶冷却肯定无法满足需要，但叶片在试验时是作垂直上下运动(振幅可达±200～400cm左右)，从而会产生扰动气流，正好利用扰动气流帮助冷却电机。试验以后的冷却效果还不错。
通过计算，兆瓦级风力机叶片疲劳试验用电机容量为15.0kW，四极电机，曲柄质量270kg，质心距离旋转中心446mm,力矩1204N/m，选用爱默生EV200-4T0185G1恒转矩变频器。
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