引言
风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，风力发电作为当今世界最主要的可再生能源技术之一，具有很高的生态效益和经济效益。风电叶片作为风电机组的关键部件之一，制造成本约占整个机组的20%-30%。由于总是受到交变载荷作用，疲劳破坏是风电叶片主要的失效方式之一，大约40%的叶片损坏都是由于疲劳失效引起，因此开展风电叶片疲劳检测是风电产业链中的重要环节，也是实现风电叶片性能、安全等方面全方位评定的关键。为了在设计、制造阶段确定叶片的疲劳薄弱部位，需要对风电叶片进行疲劳加载试验。国外在该领域的研究起步较早且有了一定的进展。DarriS等DI采用双轴加载模式对1.5MW风电叶片进行疲劳加载试验，得到叶片面向和弦向相位角大范围变化，可用一个高斯分布来近似代替。Ole Jesper等采用单轴加载和热像监控手册对LM19.1风电叶片进行试验，发现叶片温度升高的区域逐渐扩大，当振动次数达到破坏次数时，温度约升高5℃。国内在风电领域的起步较晚，对风电叶片疲劳加载试验系统的研究鲜有报道。
笔者设计了一套偏心质量块驱动的风电叶片单点疲劳加载系统，推导了单点疲劳加载振动藕合数学模型，并对振动规律进行了数值仿真研究，揭示了“单加载源一叶片”之间的振动耦合特性。构建了一套aeroblade2.0-44风电叶片单点疲劳加载试验系统。试验结果验证了数学模型与仿真模型的准确比，为后续疲劳加载过程的解祸控制策略制定提供了理论依据。
1、单点疲劳加载系统设计
设计了一套兆瓦级风电叶片单点疲劳加载系统，整个系统主要由加载基座和单加载源构成，如图1所示。叶片根部通过高强度螺栓固定在基座上，加载源大约放置在沿叶片展向70%处，主要由变频电机、减速箱，可调偏心质量块和连接夹具等组成。它是利用内部偏心质量块
2、“加载源一叶片”系统数学模型
在风电叶片单点疲劳加载系统中，为了简化系统建模，建模时做如下假设：a.叶片近似为线性弹性体，加载源与连接夹具均为均质刚体;b.在振动过程中，叶片竖直方向的阻尼力和弹性力分别为速度和位移的线性函数。
在上述两个假设前提下，根据风电叶片疲劳加载系统建立的单点疲劳加载模型如图2所示。图中，Oxyz为绝对坐标系，O'x'y'z’和O"x"y"z"为动坐标系，O'为系统运动合成质心，O"为振动机体(叶片和加载源)的质心，O1为偏心块旋转中心，L=OO1，L=OO"。
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系统势能为
式(5)~(6)构成了疲劳加载过程中“单加载源叶片”振动数学模型，表示的是一个多变量耦合的非线性系统，同时也反映了叶片振动与加载系统之间的耦合关系。
[pagebreak]3、数值仿真
从图3能够得出，当回转频率接近于叶片固有频率时，仅相差3 r/min时，叶片振幅会由最初的波动状态逐渐趋于稳定，稳定在300 mm左右，即出现振动自同步现象，如图3(b)所示。这种振动自同步现象是“加载源一风电叶片”之间振动耦合的结果，只有当加载源回转频率与叶片固有频率相近时才会出现自同步现象。当两者的频率设定相同，此时回转等效转速为40 r/min，两者发生共振现象，叶片幅值迅速上升到最大，且稳定在800 mm左右，如图3(c)所示，若两者频率相差较大，偏离共振时的转速约为7 r/min时，叶片振幅则出现较大的波动，如图3(a)所示。
回转驱动速度分别取n1=35 r/min和n2=38 r/min时，仿真得到电机电流变化如图4所示。
根据图4能够看出，在疲劳加载过程中随着叶片的上下振动，电机电流也呈现周期性波动状态。当小于共振区间时，电流随着转速的增大而增大。例如，偏心块回转速度由35 r/min增大到38 r/min,电流平均值也近似由2.0A增大到2.2A。
[pagebreak]4、实验分析
被实验的风电叶片额定功率为2.0MW，长度为44m，加载源的电机功率为22KW,减速箱减速比为27,偏心块质量和臂长分别为300 kg和0.8 m。叶片根部通过高强度螺栓固定在基座上，加载源固定在沿叶片展向70%处，激光测距仪实时测量叶片加载点的振幅变化，加载源的电流变化通过变频器读取，试验现场如图5所示。
取偏心块的回转速度分别为n1=33, n2=37和n3=40 r/min，叶片振幅变化如图6所示。从试验结果可以看出，叶片幅值变化规律与图3的仿真结果几乎一致。当偏离共振时的转速为7 r/min,叶片加载点振幅呈较大的波动状态，如图6 (a)所示。若偏离共振的转速较小，约为3 r/min时，叶片加载点振幅首先经历一段波动，然后逐渐稳定在300 mm左右，出现了数值仿真中的自同步现象，如图6(b)所示。当偏心块的转速为40 r/min时，叶片处于共振状态，此时叶片加载点振幅最大，约为800 mm，与仿真结果基本吻合，如图6 (c)所示。可见，试验结果验证了数学模型与仿真模型的准确性。加载试实验时，取加载源的回转速度同样为35，38和40 r/min，电流测试结果如图7所示。从试验结果可以看出，电流值随着振动过程而发生周期性波动。共振状态下(n3=40 r/ min)的平均电流值最大，约为2.5 A;在低于共振区间的范围，随着回转速度的增大，电流平均值也呈递增趋势，近似由2.0 A上升到2.2 A，与仿真结论基本吻合。
5、结论
1)通过对“加载源一叶片”单点疲劳加载系统的建模和仿真研究，发现它们之间存在着较强的力与能量的传递，一定条件下能够出现自同步现象。
2)仿真结果表明，叶片加载点振幅、电机电流与加载源的回转速度密切相关，当低于共振区间时，加载点振幅和电流均随着回转速度的增大而增大，而共振状态下的叶片幅值和电流达到最大，并利用构建的实验装备验证了数学模型与仿真模型的准确性。
3)风电叶片单点疲劳加载过程中振动特性的研究结论为后续的解耦控制策略制定提供了参考和理论依据。
