廖高華，蔣航

(1．南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程系，江西南昌 330099;2．同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

0 前言

大型風(fēng)電機(jī)組機(jī)葉片有超長(zhǎng)、超重、柔性易損等特點(diǎn)，車輛運(yùn)輸時(shí)葉片長(zhǎng)度通常超過(guò)了一般特種運(yùn)輸?shù)南拗品秶?，尤其是超高超寬的根部帶?lái)了巨大的困難，葉片的運(yùn)輸問(wèn)題日益凸現(xiàn)［1-2］。由于風(fēng)能資源豐富的地區(qū)都比較偏遠(yuǎn)，道路情況惡劣，葉片在運(yùn)輸過(guò)程中可能會(huì)由于路面的顛簸，導(dǎo)致葉片出現(xiàn)不可逆的損傷，當(dāng)路面激勵(lì)的頻率接近葉片本身的固有頻率時(shí)，可能還會(huì)導(dǎo)致葉片共振。車輛運(yùn)輸葉片時(shí)新型運(yùn)輸裝備需提供動(dòng)力和減振功能，通過(guò)調(diào)整葉片姿態(tài)順利跨越障礙物、穿過(guò)隧道等限高路段;在路面顛簸或路況較差時(shí)，運(yùn)輸裝備減振系統(tǒng)可以起到緩沖作用，保護(hù)葉片。國(guó)外對(duì)大型葉片車輛運(yùn)輸設(shè)備研究使用有DDM、西門(mén)子及Vestas等公司，針對(duì)不同尺寸葉片均有不同運(yùn)輸形式的運(yùn)輸方案。國(guó)內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備主要由華銳風(fēng)電和金風(fēng)科技等廠家設(shè)計(jì)配套使用，適用于中小型風(fēng)機(jī)葉片的運(yùn)輸，道路通過(guò)性和葉片保護(hù)措施較差，難以適應(yīng)超大型風(fēng)機(jī)葉片的車輛運(yùn)輸。液壓減振器在汽車上應(yīng)用十分廣泛，目前，半主動(dòng)懸架大部分是通過(guò)改變減振器的阻尼實(shí)現(xiàn)懸架性能調(diào)節(jié)［3-4］。

基于上述原因，文中研究了風(fēng)電葉片新型運(yùn)輸?shù)姆桨?，提出液壓機(jī)構(gòu)運(yùn)輸裝備，結(jié)合油氣懸架便于控制的優(yōu)點(diǎn)，考慮葉片運(yùn)輸狀態(tài)的模態(tài)，在液壓系統(tǒng)中增加蓄能器、節(jié)流閥和控制單元組成半主動(dòng)減振系統(tǒng)。通過(guò)分析其結(jié)構(gòu)和工作原理，建立葉片車輛運(yùn)輸系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)比理論分析和仿真研究的結(jié)果。

1 運(yùn)輸裝備結(jié)構(gòu)

風(fēng)電葉片新型運(yùn)輸結(jié)構(gòu)由牽引車、液壓機(jī)構(gòu)運(yùn)輸裝備、葉片以及后車組成如圖1所示。支撐連接裝置主要包括法蘭(與葉片根部連接)、液壓系統(tǒng)、底部連接桿和鉸接基座等，實(shí)現(xiàn)連接前車與葉片根部、支撐葉片、傳遞牽引力和調(diào)節(jié)葉片端部的姿態(tài)以配合運(yùn)輸要求。同時(shí)，在路面顛簸或路況較差時(shí)，運(yùn)輸系統(tǒng)減振。

圖1 葉片車輛運(yùn)輸結(jié)構(gòu)

運(yùn)輸裝備液壓系統(tǒng)包括泵站系統(tǒng)、液壓缸升降系統(tǒng)和減振系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 運(yùn)輸裝備液壓系統(tǒng)原理圖

在避免障礙物干涉時(shí)，葉片姿態(tài)調(diào)整(升降)通過(guò)電磁換向閥12控制液壓缸18的伸縮。在顛簸路面上行駛狀態(tài)下，球閥14．2打開(kāi)，蓄能器13．2、節(jié)流閥15和液壓缸18A腔室構(gòu)建成油氣彈簧的減振系統(tǒng)。運(yùn)輸過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整節(jié)流閥15開(kāi)度和蓄能器13的預(yù)充壓力和容積，充分的利用油氣彈簧的彈性阻尼特征，蓄能器作用緩沖，減小振動(dòng)加速度。

2 系統(tǒng)建模與分析

2．1 系統(tǒng)整體模型建立

對(duì)葉片的固有頻率很低，但是由于葉片運(yùn)輸車的行駛速度的不確定，當(dāng)實(shí)際路面振動(dòng)頻率帶較低時(shí)，葉片發(fā)生共振的幾率將會(huì)大大增加。結(jié)合葉片運(yùn)輸實(shí)際情況，采用主動(dòng)減振作動(dòng)器安裝直接作用于葉片，將作動(dòng)器布置于葉片和牽引車之間。在液壓系統(tǒng)中增加蓄能器、節(jié)流閥和控制單元即可組成半主動(dòng)液壓減振系統(tǒng)［5］。建立葉片運(yùn)輸體系整體數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)輸狀態(tài)簡(jiǎn)化模型

葉片運(yùn)輸系統(tǒng)的微分方程如下:

式中:m1為牽引車質(zhì)量;k1和c1為牽引車懸架的剛度和阻尼;m2為運(yùn)輸適配裝置和連接法蘭質(zhì)量;k2和c2為蓄能器油氣彈簧的當(dāng)量剛度和阻尼;m3、k3和c3分別為葉片模型的當(dāng)量質(zhì)量、剛度和阻尼;q為路面的位移激勵(lì)。

2．2 振動(dòng)能量傳遞分析

對(duì)6 MW的風(fēng)電葉片長(zhǎng)75 m，質(zhì)量G=33 t，葉根圓直徑3．8 m，重心位置與葉片端部距離約為22 m，靠近葉尖的支撐點(diǎn)取葉片長(zhǎng)度的2/3處，即與葉片端部距離S0=50 m，利于葉片放置時(shí)均分撓曲。綜合液壓缸的推力和行程等情況，選取底桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=2．5 m，側(cè)桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=1．5 m。計(jì)算液壓缸的推力為40 t，行程為S=800 mm，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇液壓缸型號(hào)，對(duì)運(yùn)輸裝備主要部件進(jìn)行受力校核設(shè)計(jì)要求。由于葉片的制造工藝和材料所致，葉片具有較大的柔性，因此將葉片看成彈性元件。將后車高度近似看成靜止，考慮葉片運(yùn)輸狀態(tài)的頻率，運(yùn)用鄧柯萊法［6］計(jì)算葉片在系統(tǒng)中的當(dāng)量質(zhì)量和剛度。運(yùn)輸系統(tǒng)模型參數(shù)如表1。

表1 模型參數(shù)Ⅰ

將表1中基本參數(shù)代入式(1)中，求解可得激勵(lì)能量從牽引車輪胎傳遞至葉片的振動(dòng)總傳遞率，包括葉片連接法蘭經(jīng)過(guò)葉片至當(dāng)量質(zhì)量中心、牽引車至葉片連接法蘭和路面至牽引車身的振動(dòng)傳遞率。

取油氣彈簧系統(tǒng)的剛度k2為150×103N/m，阻尼c2為20×103N·s/m，k2和c2代入上述式(2)，得到運(yùn)輸系統(tǒng)的總傳遞率曲線如圖4所示。由曲線可知，葉片運(yùn)輸系統(tǒng)的固有頻率f0，以為界劃分了增幅區(qū)和減幅區(qū)2個(gè)區(qū)域。在輸入激勵(lì)頻率大于時(shí)，振動(dòng)傳遞率小于0，系統(tǒng)的減振性能良好，幾乎將葉片與路面振動(dòng)隔離;在輸入激勵(lì)頻率小于時(shí)，振動(dòng)傳遞率大于0，即處于振動(dòng)增幅區(qū)，系統(tǒng)的減振性能較差;當(dāng)輸入激勵(lì)頻率為f0時(shí)，運(yùn)輸系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率最大，減振效果最差，極易發(fā)生共振。

圖4 振動(dòng)總傳遞率圖

2．3 蓄能器剛度及節(jié)流閥阻尼分析

油氣彈簧以油液為傳力介質(zhì)，以氣體為彈性介質(zhì)的裝置，蓄能器作為彈性元件其當(dāng)量剛度k2不同于普通彈簧的剛度［7］。建立蓄能器5反饋力和液壓缸18位移關(guān)系，由熱力學(xué)方程，推導(dǎo)工作狀態(tài)輸出力FS，求偏導(dǎo)數(shù)得到蓄能器剛度:

式中:pp0為預(yù)充氣體壓強(qiáng);Vp0為蓄能器容積;pp為氣體實(shí)際壓力;Vp為實(shí)際蓄能器體積;n為氣體多變指數(shù);Ac為液壓缸A腔面積;液壓缸的位移改變量Δs。

由式(3)可知蓄能器剛度k2隨著位移Δs時(shí)刻變化的，非定常數(shù)值;要獲取較好減振效果，選取容積盡可能大蓄能器，對(duì)相同容器蓄能器，預(yù)充壓力pp0越大，油氣彈簧剛度k2越小。選定蓄能器容積及預(yù)充壓力，取液壓缸最大與最小行程計(jì)算應(yīng)液壓缸推力，得到油氣彈簧當(dāng)量剛度k2≈150×103N/m，能較好地體現(xiàn)油氣彈簧剛度變化情況。

運(yùn)輸過(guò)程中，由于節(jié)流閥作用使得油液通過(guò)時(shí)產(chǎn)生阻尼迅速衰減了能量，通過(guò)液壓系統(tǒng)中節(jié)流閥3的開(kāi)度Kd來(lái)調(diào)節(jié)有效面積，建立液壓系統(tǒng)阻尼與節(jié)流閥4開(kāi)度的關(guān)系，根據(jù)連續(xù)性方程得:

式中:Cd為節(jié)流閥流量系數(shù);Kd為節(jié)流閥開(kāi)度系數(shù);ρ為油液密度;Ad為節(jié)流孔有效面積;ΔpA-B為節(jié)流孔前后壓強(qiáng)差;vc為活塞速度;Ac為液壓缸A腔面積。

由式(4)可知系統(tǒng)阻尼c2是隨著流量Qc變化的變量，非定常數(shù)值。在激勵(lì)幅值不變情況下，隨著激勵(lì)頻率增加，節(jié)流閥產(chǎn)生阻尼力所對(duì)應(yīng)的阻尼系數(shù)逐漸增大。由前面分析知，阻尼值c2=22 kN·s/m時(shí)，振動(dòng)傳遞率最小，系統(tǒng)減振效果最好，需要通過(guò)檢測(cè)液壓缸位移來(lái)控制節(jié)流閥開(kāi)度，使其當(dāng)量阻尼值穩(wěn)定在預(yù)期值。

3 系統(tǒng)仿真分析

3．1 仿真模型建立

風(fēng)電葉片在運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)情況較為復(fù)雜，根據(jù)蓄能器、節(jié)流閥的剛度特性與阻尼特性分析可知，油氣彈簧的當(dāng)量剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)均為非定值，利用AMESim的液壓元件模型庫(kù)，建立符合實(shí)際情況的蓄能器、節(jié)流閥和液壓缸的模型，并加入葉片簡(jiǎn)化模型和牽引車模型，最后得到葉片運(yùn)輸系統(tǒng)的仿真模型如圖5所示，運(yùn)輸裝備液壓系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

圖5 仿真系統(tǒng)模型圖

表2 模型參數(shù)Ⅱ

3．2 系統(tǒng)路譜激勵(lì)平順性分析

路面輸入信號(hào)為C級(jí)公路下時(shí)速為30 km/h路譜的位移激勵(lì)［8］，選取采樣頻率為100 Hz。在路譜位移激勵(lì)下，振動(dòng)加速度通過(guò)輪胎、牽引車身和液壓系統(tǒng)傳遞至葉片，車身加速度曲線如圖6所示，車身振動(dòng)加速度在3 m/s2的范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖6 車身加速度曲線

油氣彈簧系統(tǒng)減振加速曲線如圖7所示，油氣彈簧系統(tǒng)減振失效時(shí)由于僅靠運(yùn)輸車懸架和葉片本身阻尼緩解振動(dòng)能量，減振效果較差，穩(wěn)態(tài)時(shí)最大振動(dòng)加速度為0．30 m/s2;采用減振系統(tǒng)時(shí)，葉片振動(dòng)加速度明顯降低，最大值為0．10 m/s2，車身傳遞的振動(dòng)能量迅速衰減。從頻域圖可看出，減振失效時(shí)葉片振動(dòng)能量集中在共振頻率(0．56 Hz)附近，對(duì)應(yīng)功率譜密度較大，隨著路面的持續(xù)激勵(lì)很可能使葉片發(fā)生共振。采用蓄能器和節(jié)流閥的緩沖吸振，改變?nèi)~片的功率譜密度分布，使得葉片的功率譜密度降低。

圖7 振動(dòng)加速度曲線

3．3 蓄能器容量影響分析

選用不同容積蓄能器所組成的油氣彈簧系統(tǒng)，對(duì)相同的路面激勵(lì)輸入，分析對(duì)比其減振性能的差別。圖8(a)為20 L蓄能器與50 L蓄能器組成系統(tǒng)的加速度-頻率曲線對(duì)比，圖8(b)為50 L蓄能器與100 L蓄能器組成系統(tǒng)的加速度-頻率曲線對(duì)比。可以看出，相比于20 L蓄能器組成油氣彈簧系統(tǒng)，50 L蓄能器組成的系統(tǒng)中葉片的振動(dòng)加速度有較大的降低，從頻譜上不難看出能量峰值下降了2/3左右，100 L比50 L蓄能器系統(tǒng)的峰值有略微的降低。蓄能器容積的增加會(huì)使得運(yùn)輸裝置減振性能提高，但是隨著容積的增大，油氣彈簧的當(dāng)量剛度較小得越慢，系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞率減小越慢，減振效果的提升不顯著。

圖8 葉片振動(dòng)加速度-頻率曲線

4 結(jié)論

(1)針對(duì)風(fēng)電葉片新型運(yùn)輸?shù)姆桨?，提出液壓機(jī)構(gòu)運(yùn)輸裝備，結(jié)合油氣懸架便于控制的優(yōu)點(diǎn)，考慮葉片運(yùn)輸狀態(tài)的模態(tài)，在液壓系統(tǒng)中增加蓄能器、節(jié)流閥組成減振系統(tǒng);建立了牽引車、運(yùn)輸裝備和葉片之間的數(shù)學(xué)模型，對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)振動(dòng)能量傳遞、蓄能器剛度、節(jié)流閥阻尼數(shù)值分析，得到運(yùn)輸系統(tǒng)模型參數(shù)。

(2)建立了葉片運(yùn)輸系統(tǒng)仿真模型，將激勵(lì)輸入系統(tǒng)進(jìn)行模型，仿真分析系統(tǒng)路譜激勵(lì)下振動(dòng)加速度以及得到車身與葉片加速度，葉片振動(dòng)加速度明顯降低，運(yùn)輸裝備油氣彈簧減振作用明顯，系統(tǒng)減振性能有較大的改善。對(duì)比分析選用不同容積蓄能器所組成的油氣彈簧系統(tǒng)，對(duì)相同的路面激勵(lì)輸入，對(duì)減振性能的影響，蓄能器容積的增加會(huì)提高減振性能，但隨著容積增大，減振效果提升不顯著。

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