用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置及方法

摘要

本发明提供一种用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置及方法，该装置包括框架，框架内安装有齿轮副，齿轮副包括两个施力齿轮，其对称地设有质量块，质量块能随其所在的施力齿轮而转动，框架内还设有带动齿轮副转动的动力装置。该方法包括：得到f-U图并拟合成公式；确定输出电压U及每段加载时间t；测试加速度传感器；测试并计算初始自振频率和系统阻尼；对装置多次施加特定频率和幅值的循环荷载；测试此时装置的自振频率；直到总加载次数达到试验所需的量级。本发明可以对模型施加双向的循环荷载，能轻易达到风机模型试验所需的低频振动；在特定试验领域优于激振器。

说明书

技术领域

本发明涉及海上风机支撑结构动力特性室内模型试验设备技术领域。

背景技术

风能作为目前发展最快、产业前景最好的清洁可再生能源，越来越受到重视， 成为解决全球能源短缺和保障能源安全的战略选择之一。我国的风能总储量约 32.26亿kW，可开发风能约10亿kW，其中海上风能7.5亿kW。开发海上风能 将有效缓解我国能源紧缺状况，已成为国家“十二五”能源战略的重要内容，对 于改善我国当前能源结构，实现可持续发展意义重大。海上风机的支撑结构主要 由塔架和基础构成，其动力特性对于保障海上风机的安全运行至关重要。其蕴含 科学问题的解决与相关理论的提出需要基于大量可靠和详尽的试验数据。相比现 场原位试验，模型试验方法具有费用低廉、易于操作、外界干扰因素少等优点， 在科学研究中发挥着不可替代的作用。目前，国内外对海上风机的支撑结构动力 特性试验研究相对较少，模型试验中的荷载多数通过额外的激振器通过刚性加载 杆来施加，而且往往只能单独施加某一方向的循环荷载。每次需要测量模型的自 振频率时都要将加载杆断开，操作复杂而且容易对基础周围土体产生一定的扰 动，严重影响试验结果的可靠性。此外，实际上，海上风机在运营期内将受到不 同方向的水平作用力，包括随时间变化的风力、波浪力、潮流力等，因此研制一 款能够方便地对海上风机支撑结构施加多方向的水平循环荷载的新型试验设备 十分必要。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是提供一种用于海上风机支撑结构振动试验 的多向循环加载装置，其原理简单、成本低、操作方便，能达到向模型施加循环 荷载的目的。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置，包括框架，所述框架 设置在基座上，所述框架内安装有齿轮副，所述齿轮副水平设置，所述齿轮副包 括两个相互咬合的施力齿轮，齿轮副的两个施力齿轮上对称地设有质量块，所述 质量块能随其所在的施力齿轮的转动而转动，所述质量块的转动半径小于其所在 的施力齿轮的齿轮半径，齿轮副的两个施力齿轮分别通过转轴安装在框架上，齿 轮副中主动施力齿轮的安装轴为主动轴，从动施力齿轮的安装轴为从动轴，所述 框架内还设有动力装置，所述动力装置通过传动机构连接至主动轴，从而带动齿 轮副转动。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的 技术方案：

所述齿轮副为两对，两对齿轮副位于不同的平面上，两对齿轮副的施力齿轮 中心连线相互垂直。

所述齿轮副的两个施力齿轮的上表面分别设有沿其周向均布的多个开孔，所 述质量块安装在其中一个开孔内，同一齿轮副的两个施力齿轮上的质量块的质量 相同。

所述传动机构包括蜗杆、传动轴、传动齿轮和冠齿轮，所述蜗杆与所述传动 轴相互配合进行传动，所述蜗杆连接至动力装置的输出轴，所述蜗杆与所述传动 轴的动力输出方向相互垂直，所述传动齿轮连接在所述传动轴的两端，并能随所 述传动轴转动，所述冠齿轮大冠齿轮和小冠齿轮，所述大冠齿轮和小冠齿轮分别 与传动轴两端的传动齿轮啮合，所述小冠齿轮连接在驱动位于上部的齿轮副的主 动轴下端，并能与该主动轴同步转动，所述大冠齿轮连接在驱动位于下部的齿轮 副的主动轴下端，并能与该主动轴同步转动。

所述大冠齿轮的齿数采用48齿、36齿、24齿或18齿，所述小冠齿轮的齿 数采用12齿，所述传动齿轮根据冠齿轮的大小适当调节位置。

所述基座通过模型塔架与模型基础固定连接，所述模型塔架顶部设有加速度 传感器，所述模型基础被压入试验砂土中。

所述动力装置为电机，所述电机连接至稳压电源。

如图1所示，本发明的基本原理是利用质点m沿着半径为r的圆弧做角频 率为ω的匀速圆周运动时，将产生一个大小为F_n的离心力：

F_n＝mr²ω

据此，在图2所示的由两个相互咬合的齿轮组成的转动系统里，左右两个齿 轮各自以相同转速沿不同方向进行旋转，假设初始时刻在两个齿轮的位置a处各 有一个质量分别为m₁和m₂的质点(忽略齿轮本身质量的影响)，则当两个质点 随着齿轮旋转时将分别会对圆心产生一个大小分别为F_n1和F_n2的离心力。

F_n1＝m₁rω²

F_n2＝m₂rω²

质点m₁和m₂在整个旋转过程中的位置保持对称，从图2的受力分解图中 可见离心力F_n1和F_n2沿X和Y方向分解后，将会对整个齿轮系统产生一个相互 正交的且大小分别为F_X和F_Y的合力，并随转动角度分别按余弦和正弦规律变化， 特殊的，当m₁＝m₂＝m时，理论上仅在Y方向产生大小为F′_Y的简谐荷载。

F_X＝(m₁-m₂)rω²cosθ

F_Y＝(m₁+m₂)rω²sinθ

F′_Y＝2mrω²sinθ

本发明就利用以上特殊情况，利用两套类似图2的结构，旋转角速度比为 1:2，对模型施加如图3.a所示的荷载路径(XY轴分别表示水平面XY的荷载方 向)。相比单一图2系统装置(只能产生椭圆形的平面荷载路径或施加单向荷载)， 本发明可以产生更为复杂的加载条件，尤其是海上风机所受风向改变时会产生两 个方向的荷载，能更好地模拟海上风机所受的不确定荷载形式，由于本发明采用 了机械连接的两组动力施加装置，四个施力齿轮转速完全相同，避免了使用两组 简单动力施加装置独立运行而引起相位差无法预知和控制，从而导致加载路径的 不确定造成实验结果不可重复，为了适应更多类型的加载路径，本发明还为设备 配备了各种不同齿数的冠齿轮，小冠齿轮采用单一齿数(12齿)，大冠齿轮除了 24齿外，还可以采用了48齿(施力齿轮的转速比为1:4)、18齿(施力齿轮的转 速比2:3)、36齿(施力齿轮的转速比1:3)等荷载路径分别如图3.b、c、d所示， 在试验前可以进行更换以产生丰富的循环加载路径，底部传动轴上的齿轮可以根 据不同的冠齿轮大小适当调节位置。

本装置的构造如图4所示，外壳采用厚度7mm的金属框架，保证一定的刚 度。上下面板中间布置4根轴，可旋转，轴上固定有主齿轮，组成两套图2系统， 上下错开正交布置。整个装置包括齿轮的大小可以根据试验需要作相应变换，为 了后续计算方便，本设计取重块的旋转半径r＝3cm。此外，两套系统的其中一轴 下部还装有冠齿轮，不同齿数的冠齿轮满足了两组系统不同转速的要求。在金属 板上固定的电机通过一根传动轴将动力传递至冠齿轮，从而实现装置的运作。质 量块布置采用上文图2的方案，同层质量块质量相等，使得加速度沿双齿轮切点 的切线方向。两层的质量块质量可以不同，方便在两个方向施加不同幅值的荷载。 动力由电机提供，直流稳压电源控制电路电压，达到恒定电机转速的目的。进行 试验前，通过测速机校核输出电压U与齿轮转速R的关系，进而得出输出电压 与加载频率f的关系，作出f-U图并拟合成公式，方便后续试验的进行。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种用于海上风机支撑结构振动 试验的多向循环加载方法，所述方法采用上述的多向循环加载装置，并包括以下 步骤：

1)通过测速计校核输出电压U与齿轮转速R之间的关系，进而得出输出电 压U与加载频率f之间的关系，得到f-U图并拟合成公式；

2)根据试验加载的荷载峰值、加载频率f以及循环次数，计算质量块的质 量m，并确定输出电压U及每段加载时间t；

3)测试加速度传感器；

4)测试并计算X、Y方向的初始自振频率和系统阻尼；

5)根据步骤2)所确定的m和U值，对装置多次施加特定频率和幅值的循 环荷载；

6)当施加次数达到N1时，暂停循环加载，并采用步骤4)的方法测试此时 装置的自振频率；

7)重启加载装置，重复步骤5)-6)，直到总加载次数N(N＝N1+N2+…… +Nn)达到试验所需的量级为止。

9、如权利要求8所述的用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载方 法，其特征在于：循环加载的荷载包括单向荷载和耦合荷载，

当施加X或Y方向的单向荷载时，步骤2)中的计算包括以下步骤：

2.1根据风机相似理论，确定试验所需的荷载峰值Fxmax(或FYmax)、加 载频率f和循环次数n；

2.2根据加载频率f和荷载峰值Fxmax(或FYmax)，根据公式 F_Ymax＝2mrω²计算质量块的质量

2.3利用f-U关系式获得稳压电源的输出电压U；

2.4计算每段加载时间t＝n/f；

当施加X、Y方向的耦合荷载时，步骤2)中的计算包括以下步骤：

2.1’根据试验特点(试验特点具体指的根据相似理论计算得到的加载幅值和 频率)确定所需的荷载峰值Fxmax和Fymax、加载频率f以及循环次数n；

2.2’根据加载频率f和荷载峰值Fxmax和Fymax，根据公式 F_Xmax＝2m_Xrω²和F_Ymax＝2m_Yrω²分别计算两层齿轮副的质量块质量m_X和 m_Y；

2.3’利用f-U关系式获得稳压电源的输出电压U；

2.4’计算每段加载时间t＝n/f。

10、如权利要求8所述的用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载方 法，其特征在于：所述步骤4)具体包括以下步骤：

4.1对模型施加一个X方向的微小振幅让其自由振动，

4.2通过加速度传感器采集自由振动阶段加速度随时间的变化信号；

4.3按照步骤4.1-4.2对Y方向进行相同操作；

4.4对时域内的加速度衰减信号，通过快速傅里叶变换，得到该方向的初始 自振频率和系统阻尼，时域指的是加速度信号在时间坐标轴上表示。

本发明的有益效果是：本发明可以对模型施加双向的循环荷载，如果将装置 安装在一定的坡度上，还可对模型施加三维荷载；本装置能轻易达到风机模型试 验所需的低频振动；使用本发明对风机支撑结构动力特性的变化进行研究时，无 需像普通激振器一样每次测试自振频率前都要断开激振器连接，造成不必要的麻 烦甚至土体扰动，因此本发明在特定试验领域优于激振器。

附图说明

图1是单质点进行圆周运动时的受力图。

图2是本发明的原理图。

图3a是本发明使用1:2齿数的大小冠齿轮产生的xy方向循环荷载路径图。

图3b是本发明使用1:4齿数的大小冠齿轮产生的xy方向循环荷载路径图。

图3c是本发明使用2:3齿数的大小冠齿轮产生的xy方向循环荷载路径图。

图3d是本发明使用1:3齿数的大小冠齿轮产生的xy方向循环荷载路径图。

图4a是本发明的多向循环加载装置一个方向的立体图。

图4b是本发明的多向循环加载装置另一个方向的立体图。

图5是本发明的多向循环加载装置的正视图。

图6是本发明的多向循环加载装置的左视图。

图7是本发明的多向循环加载装置的俯视图。

图8是图5的A-A剖视图。

图9是本发明的多向循环加载装置的底座传动轴示意图。

图10是本发明的多向循环加载装置在海上风机模型上的安装示意图。

具体实施方式

实施例1，多向循环加载装置，参照附图4a-10。

本发明的多向循环加载装置包括框架5，框架5设置在基座6上，框架5内 安装有齿轮副2，齿轮副2为两对，分别处于不同的水平面上，齿轮副2包括两 个相互咬合的施力齿轮21，两个施力齿轮21的上表面各自设有多个沿其周向均 布的开孔22，施力齿轮21上设有质量块1，质量块1通过安装杆11固定安装在 开孔22内，两个施力齿轮21上的质量块1对称设置，质量块1能够随其所在的 施力齿轮21的转动而转动，开孔22的中心到其所在的施力齿轮中心的距离即为 质量块1的转动半径，质量块1的转动半径小于其所在的施力齿轮21的半径， 在本实施例中，取转动半径r＝3cm，同一层的施力齿轮21上的质量块1的质量 相同。

两个施力齿轮21分别通过各自的转轴3安装在框架5上，转轴3竖直设置， 其中，主动施力齿轮所在的转轴为主动轴，从动施力齿轮所在的转轴为从动轴， 框架1内还设有动力装置，动力装置采用电机4，电机4连接至稳压电源并由其 提供能源，电机4通过传动机构连接至两个齿轮副的主动轴，从而带动齿轮副转 动。

传动机构包括蜗杆10、传动轴12、传动齿轮7和冠齿轮，冠齿轮包括大冠 齿轮9和小冠齿轮8，蜗杆10与连接至电机4的输出轴，电机4的动力通过蜗 杆10输出，蜗杆10与传动轴12相互配合进行传动，传动轴12垂直于蜗杆10 设置，蜗杆10与传动轴12的配合部位位于传动轴12的中部，这样，通过蜗杆 的设计，将电机4的动力输出方向发生改变，并且由单一方向的输出，改为双向 同时输出，优化了整个装置内部结构的空间布局。

传动齿轮7为两个，分别连接在传动轴12的两端，并能随传动轴12的转动 而转动，大冠齿轮9和小冠齿轮8分别与两端的传动齿轮7啮合配合，小冠齿轮 8连接在位于上部的齿轮副的主动轴下端，大冠齿轮9连接在位于下部的齿轮副 的主动轴下端，大冠齿轮9和小冠齿轮8与其所连接的齿轮副的主动轴同步转动， 从而将电机4的动力传递至齿轮副。

大冠齿轮9和小冠齿轮8的齿数不同，不同齿数的冠齿轮满足了两组系统不 同转速的要求，大冠齿轮9的齿数多于小冠齿轮8，小冠齿轮8的齿数恒定采用 12齿，大冠齿轮9的齿数可以根据试验需要的转速比进行配置，常见的大冠齿 轮9采用48齿、36齿、24齿或18齿，在本实施例中，大冠齿轮9采用24齿， 此时大小冠齿轮的转速比为1：2，为了确保两个齿轮副的同步转动，可以根据 冠齿轮的齿数适当调节传动齿轮7在传动轴12上的位置，为了配合这一功能， 传动轴12上可以设置齿轮调节盘13。

在进行试验时，将本发明的装置安装在海上风机模型顶端，海上风机模型的 下部通过模型塔架14与模型基础15连接，模型塔架顶部设置加速度传感器16， 模型基础15被压入试验砂土17中，加速度传感器16及其配套设备用于精确测 量加载时海上风机模型的运动状态以及加载频率。

试验开始前，首先进行相应参数的估算，进行试验前，将加载装置固定在风 机模型顶端，加上常用的质量块，校核输出电压U与风机振动频率之间的关系， 进而得出输出电压与加载频率f的关系，作出f-U图并拟合成公式，可以为后续 试验估算输出电压。

安装完成后如图10所示，M₁、M₂、M₃分别代表风机的基础、塔架和顶部 质量(顶部叶轮和机舱质量简化为质量块M₃)。这三个质量的大小、包括风机模 型的几何尺寸、加载高度、加载幅值、加载频率等参数都可以根据相似性原则确 定。

试验准备工作完成后，可根据试验需要进行多次加载，并记录分析。

实施例2，用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载方法。

本实施例的加载方法，采用实施例1的多向循环加载装置。

本发明的荷载施加形式有多种，总体可分为单向荷载和耦合荷载。

单独施加x或y方向的单向加载

由于施加单方向荷载时，可对设备进行旋转改变荷载方向，因此只需要使用 上层齿轮上的质量块加载即可，此时可以将下层齿轮上的质量块卸去，质量均匀 且轻质的齿轮旋转不会产生另一个方向的荷载。

根据试验的风机相似理论，可计算出所需荷载峰值大小F_Ymax和频率f，以 及循环次数n。然后利用所需频率f和荷载峰值F_Ymax，结合公式 F_Ymax＝2mrω²，计算齿轮质量块的质量利用f-U关系式获 得所需恒定电压大小U，并计算每段加载时间

x、y方向的耦合加载(x、y加载周期、幅值、次数等如何调节)

本发明的多方向循环加载也非常便捷。按照试验特点选择合适的冠齿轮大小 (以24齿为例)，将齿轮与传动轴咬合。

同样地，首先，根据试验特点确定所需的荷载峰值大小F_Xmax和F_Ymax和频 率f，以及循环次数n。要注意，由于双向的耦合荷载，双向施加的荷载频率以 及单位时间的循环次数是有比例限制的，24齿的比例为1:2，当x方向施加频率 为f，循环次数为n时，相应的y方向频率为2f，循环次数为2n。

利用所需x方向频率f(y方向为2f)和荷载峰值F_Xmax和F_Ymax，结合公式 F_Xmax＝2m_Xrω²和F_Ymax＝2m_Yrω²，计算齿轮质量块的质量，计算两层齿轮 质量块的质量m_X和m_Y，利用f-U关系式计算所需恒定电压大小U，并计算每段 加载时间

计算工作完成后，将进行以下步骤实施加载：

1)将质量块按计算结果组合后安装在施力齿轮的固定位置，安装完成后， 两质量块处于两个施力齿轮的对称位置。

2)将装置主体按照所需的加载方向固定于模型顶端，后将其与稳压电源相 连。在模型塔顶安装加速度传感器，在试验开始前测试加速度传感器。

3)将基础压入模型箱内试验砂土中，并将带有循环加载装置、顶部集中质 量块和加速度传感器的上部塔架通过螺栓与基础实现刚性连接。

4)循环加载前，首先对模型施加一个X方向微小振幅让其自由振动，并通 过加速度传感器采集结构自由振动阶段的加速度随时间变化的信号，Y方向同 样。

5)对于时域内的加速度衰减信号，通过快速傅立叶变换(FFT)，可得到结 构X、Y方向的初始自振频率及系统阻尼等参数。

6)根据计算结果选用输出电压U和质量块的质量，对结构施加特定频率和 幅值的循环荷载。当加载次数达到N₁时，暂停对结构的循环加载，并采用与步 骤4)、5)相同的方法测试此时装置的自振频率。

7)重新启动循环加载装置，进行下一阶段的加载并重复上述操作步骤，直 到总的加载次数N(N＝N₁+N₂+…+N_n)达到试验所需的量级为止，风机试验 中的N在105-106量级。

通过上述步骤即可得到模型结构动力特性随循环加载次数的变化规律，并研 究循环荷载特性如荷载幅值、加载频率、方式和次数等因素对结构自振频率的影 响规律。根据模型试验与原型之间所遵循的相似性规律，即可根据模型试验所得 到的结论预测原型结构的实际动力特性变化规律。