用于海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)的多向循環(huán)加載裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)能作為目前發(fā)展最快、產(chǎn)業(yè)前景最好的清潔可再生能源，越來越受到重視，成為 解決全球能源短缺和保障能源安全的戰(zhàn)略選擇之一。我國的風(fēng)能總儲(chǔ)量約32. 26億kW，可 開發(fā)風(fēng)能約10億kW，其中海上風(fēng)能7. 5億kW。開發(fā)海上風(fēng)能將有效緩解我國能源緊缺狀 況，已成為國家"十二五"能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，對(duì)于改善我國當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā) 展意義重大。海上風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)主要由塔架和基礎(chǔ)構(gòu)成，其動(dòng)力特性對(duì)于保障海上風(fēng)機(jī) 的安全運(yùn)行至關(guān)重要。其蘊(yùn)含科學(xué)問題的解決與相關(guān)理論的提出需要基于大量可靠和詳盡 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。相比現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，模型試驗(yàn)方法具有費(fèi)用低廉、易于操作、外界干擾因素少 等優(yōu)點(diǎn)，在科學(xué)研究中發(fā)揮著不可替代的作用。目前，國內(nèi)外對(duì)海上風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特 性試驗(yàn)研究相對(duì)較少，模型試驗(yàn)中的荷載多數(shù)通過額外的激振器通過剛性加載桿來施加， 而且往往只能單獨(dú)施加某一方向的循環(huán)荷載。每次需要測(cè)量模型的自振頻率時(shí)都要將加 載桿斷開，操作復(fù)雜而且容易對(duì)基礎(chǔ)周圍土體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠 性。此外，實(shí)際上，海上風(fēng)機(jī)在運(yùn)營期內(nèi)將受到不同方向的水平作用力，包括隨時(shí)間變化的 風(fēng)力、波浪力、潮流力等，因此研制一款能夠方便地對(duì)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)施加多方向的水平 循環(huán)荷載的新型試驗(yàn)設(shè)備十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明首先要解決的技術(shù)問題是提供一種用于海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)的多 向循環(huán)加載裝置，其原理簡(jiǎn)單、成本低、操作方便，能達(dá)到向模型施加循環(huán)荷載的目的。
[0004] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] 用于海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)的多向循環(huán)加載裝置，包括框架，所述框架設(shè)置 在基座上，所述框架內(nèi)安裝有齒輪副，所述齒輪副水平設(shè)置，所述齒輪副包括兩個(gè)相互咬合 的施力齒輪，齒輪副的兩個(gè)施力齒輪上對(duì)稱地設(shè)有質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊能隨其所在的施力 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，所述質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑小于其所在的施力齒輪的齒輪半徑，齒輪副的 兩個(gè)施力齒輪分別通過轉(zhuǎn)軸安裝在框架上，齒輪副中主動(dòng)施力齒輪的安裝軸為主動(dòng)軸，從 動(dòng)施力齒輪的安裝軸為從動(dòng)軸，所述框架內(nèi)還設(shè)有動(dòng)力裝置，所述動(dòng)力裝置通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 連接至主動(dòng)軸，從而帶動(dòng)齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0006] 在采用上述技術(shù)方案的同時(shí)，本發(fā)明還可以采用或者組合采用以下進(jìn)一步的技術(shù) 方案：
[0007] 所述齒輪副為兩對(duì)，兩對(duì)齒輪副位于不同的平面上，兩對(duì)齒輪副的施力齒輪中心 連線相互垂直。
[0008] 所述齒輪副的兩個(gè)施力齒輪的上表面分別設(shè)有沿其周向均布的多個(gè)開孔，所述質(zhì) 量塊安裝在其中一個(gè)開孔內(nèi)，同一齒輪副的兩個(gè)施力齒輪上的質(zhì)量塊的質(zhì)量相同。
[0009] 所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括蝸桿、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)齒輪和冠齒輪，所述蝸桿與所述傳動(dòng)軸相互 配合進(jìn)行傳動(dòng)，所述蝸桿連接至動(dòng)力裝置的輸出軸，所述蝸桿與所述傳動(dòng)軸的動(dòng)力輸出方 向相互垂直，所述傳動(dòng)齒輪連接在所述傳動(dòng)軸的兩端，并能隨所述傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所述冠齒輪 大冠齒輪和小冠齒輪，所述大冠齒輪和小冠齒輪分別與傳動(dòng)軸兩端的傳動(dòng)齒輪嚙合，所述 小冠齒輪連接在驅(qū)動(dòng)位于上部的齒輪副的主動(dòng)軸下端，并能與該主動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，所述大 冠齒輪連接在驅(qū)動(dòng)位于下部的齒輪副的主動(dòng)軸下端，并能與該主動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0010] 所述大冠齒輪的齒數(shù)采用48齒、36齒、24齒或18齒，所述小冠齒輪的齒數(shù)采用12 齒，所述傳動(dòng)齒輪根據(jù)冠齒輪的大小適當(dāng)調(diào)節(jié)位置。
[0011] 所述基座通過模型塔架與模型基礎(chǔ)固定連接，所述模型塔架頂部設(shè)有加速度傳感 器，所述模型基礎(chǔ)被壓入試驗(yàn)砂土中。
[0012] 所述動(dòng)力裝置為電機(jī)，所述電機(jī)連接至穩(wěn)壓電源。
[0013] 如圖1所示，本發(fā)明的基本原理是利用質(zhì)點(diǎn)m沿著半徑為r的圓弧做角頻率為ω 的勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)大小為^的離心力：
[0014] Fn=mr2ω
[0015] 據(jù)此，在圖2所示的由兩個(gè)相互咬合的齒輪組成的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)里，左右兩個(gè)齒輪各 自以相同轉(zhuǎn)速沿不同方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，假設(shè)初始時(shí)刻在兩個(gè)齒輪的位置a處各有一個(gè)質(zhì)量分 別為叫和m2的質(zhì)點(diǎn)（忽略齒輪本身質(zhì)量的影響），則當(dāng)兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)隨著齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)將分別會(huì) 對(duì)圓心產(chǎn)生一個(gè)大小分別為Fnl和Fn2的離心力。
[0016] Fnl =m^ω2
[0017] Fn2 =m2rω2
[0018] 質(zhì)點(diǎn)叫和m2在整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中的位置保持對(duì)稱，從圖2的受力分解圖中可見離心 力Fnl和Fn2沿X和Y方向分解后，將會(huì)對(duì)整個(gè)齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)相互正交的且大小分別為 匕和Fγ的合力，并隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別按余弦和正弦規(guī)律變化，特殊的，當(dāng)mm2=m時(shí)，理論 上僅在Y方向產(chǎn)生大小為F'γ的簡(jiǎn)諧荷載。
[0019] Fx= (m「叫)rω2cosΘ
[0020] FY=(m1+m2)rω2sinθ
[0021] F' Y= 2mrω2sinΘ
[0022] 本發(fā)明就利用以上特殊情況，利用兩套類似圖2的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)角速度比為1:2,對(duì) 模型施加如圖3.a所示的荷載路徑（XY軸分別表示水平面XY的荷載方向）。相比單一圖2 系統(tǒng)裝置（只能產(chǎn)生橢圓形的平面荷載路徑或施加單向荷載），本發(fā)明可以產(chǎn)生更為復(fù)雜 的加載條件，尤其是海上風(fēng)機(jī)所受風(fēng)向改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向的荷載，能更好地模擬海上 風(fēng)機(jī)所受的不確定荷載形式，由于本發(fā)明采用了機(jī)械連接的兩組動(dòng)力施加裝置，四個(gè)施力 齒輪轉(zhuǎn)速完全相同，避免了使用兩組簡(jiǎn)單動(dòng)力施加裝置獨(dú)立運(yùn)行而引起相位差無法預(yù)知和 控制，從而導(dǎo)致加載路徑的不確定造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可重復(fù)，為了適應(yīng)更多類型的加載路徑， 本發(fā)明還為設(shè)備配備了各種不同齒數(shù)的冠齒輪，小冠齒輪采用單一齒數(shù)（12齒），大冠齒輪 除了 24齒外，還可以采用了 48齒（施力齒輪的轉(zhuǎn)速比為1:4)、18齒（施力齒輪的轉(zhuǎn)速比 2:3)、36齒（施力齒輪的轉(zhuǎn)速比1:3)等荷載路徑分別如圖3.b、c、d所示，在試驗(yàn)前可以進(jìn) 行更換以產(chǎn)生豐富的循環(huán)加載路徑，底部傳動(dòng)軸上的齒輪可以根據(jù)不同的冠齒輪大小適當(dāng) 調(diào)節(jié)位置。
[0023] 本裝置的構(gòu)造如圖4所示，外殼采用厚度7mm的金屬框架，保證一定的剛度。上下 面板中間布置4根軸，可旋轉(zhuǎn)，軸上固定有主齒輪，組成兩套圖2系統(tǒng)，上下錯(cuò)開正交布置。 整個(gè)裝置包括齒輪的大小可以根據(jù)試驗(yàn)需要作相應(yīng)變換，為了后續(xù)計(jì)算方便，本設(shè)計(jì)取重 塊的旋轉(zhuǎn)半徑r= 3cm。此外，兩套系統(tǒng)的其中一軸下部還裝有冠齒輪，不同齒數(shù)的冠齒輪 滿足了兩組系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)速的要求。在金屬板上固定的電機(jī)通過一根傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞至冠 齒輪，從而實(shí)現(xiàn)裝置的運(yùn)作。質(zhì)量塊布置采用上文圖2的方案，同層質(zhì)量塊質(zhì)量相等，使得 加速度沿雙齒輪切點(diǎn)的切線方向。兩層的質(zhì)量塊質(zhì)量可以不同，方便在兩個(gè)方向施加不同 幅值的荷載。動(dòng)力由電機(jī)提供，直流穩(wěn)壓電源控制電路電壓，達(dá)到恒定電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。進(jìn) 行試驗(yàn)前，通過測(cè)速機(jī)校核輸出電壓U與齒輪轉(zhuǎn)速R的關(guān)系，進(jìn)而得出輸出電壓與加載頻率 f的關(guān)系，作出f-υ圖并擬合成公式，方便后續(xù)試驗(yàn)的進(jìn)行。
[0024] 本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是提供一種用于海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn) 的多向循環(huán)加載方法，所述方法采用上述的多向循環(huán)加載裝置，并包括以下步驟：
[0025] 1)通過測(cè)速計(jì)校核輸出電壓U與齒輪轉(zhuǎn)速R之間的關(guān)系，進(jìn)而得出輸出電壓U與 加載頻率f之間的關(guān)系，得到f-U圖并擬合成公式；
[0026] 2)根據(jù)試驗(yàn)加載的荷載峰值、加載頻率f以及循環(huán)次數(shù)，計(jì)算質(zhì)量塊的質(zhì)量m，并 確定輸出電壓U及每段加載時(shí)間t;
[0027] 3)測(cè)試加速度傳感器；
[0028] 4)測(cè)試并計(jì)算X、Y方向的初始自振頻率和系統(tǒng)阻尼；
[0029] 5)根據(jù)步驟2)所確定的m和U值，對(duì)裝置多次施加特定頻率和幅值的循環(huán)荷載；
[0030] 6)當(dāng)施加次數(shù)達(dá)到N1時(shí)，暫停循環(huán)加載，并采用步驟4)的方法測(cè)試此時(shí)裝置的自 振頻率；
[0031]7)重啟加載裝置，重復(fù)步驟5)-6)，直到總加載次數(shù)N(N=N1+N2+……+Nn)達(dá)到 試驗(yàn)所需的量級(jí)為止。
[0032] 9、如權(quán)利要求8所述的用于海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)的多向循環(huán)加載方法，其 特征在于：循環(huán)加載的荷載包括單向荷載和親合荷載，
[0033] 當(dāng)施加X或Y方向