用于海上風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)振動試驗的多向循環(huán)加載裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及海上風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)動力特性室內(nèi)模型試驗設(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，對于改善我國當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā) 展意義重大。海上風(fēng)機的支撐結(jié)構(gòu)主要由塔架和基礎(chǔ)構(gòu)成，其動力特性對于保障海上風(fēng)機 的安全運行至關(guān)重要。其蘊含科學(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 的試驗數(shù)據(jù)。相比現(xiàn)場原位試驗，模型試驗方法具有費用低廉、易于操作、外界干擾因素少 等優(yōu)點，在科學(xué)研究中發(fā)揮著不可替代的作用。目前，國內(nèi)外對海上風(fēng)機的支撐結(jié)構(gòu)動力特 性試驗研究相對較少，模型試驗中的荷載多數(shù)通過額外的激振器通過剛性加載桿來施加， 而且往往只能單獨施加某一方向的循環(huán)荷載。每次需要測量模型的自振頻率時都要將加 載桿斷開，操作復(fù)雜而且容易對基礎(chǔ)周圍土體產(chǎn)生一定的擾動，嚴(yán)重影響試驗結(jié)果的可靠 性。此外，實際上，海上風(fēng)機在運營期內(nèi)將受到不同方向的水平作用力，包括隨時間變化的 風(fēng)力、波浪力、潮流力等，因此研制一款能夠方便地對海上風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)施加多方向的水平 循環(huán)荷載的新型試驗設(shè)備十分必要。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 本實用新型首先要解決的技術(shù)問題是提供一種用于海上風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)振動試驗 的多向循環(huán)加載裝置，其原理簡單、成本低、操作方便，能達到向模型施加循環(huán)荷載的目的。
[0004] 本實用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] 用于海上風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)振動試驗的多向循環(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相互咬合 的施力齒輪，齒輪副的兩個施力齒輪上對稱地設(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)動而轉(zhuǎn)動，所述質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動半徑小于其所在的施力齒輪的齒輪半徑，齒輪副的 兩個施力齒輪分別通過轉(zhuǎn)軸安裝在框架上，齒輪副中主動施力齒輪的安裝軸為主動軸，從 動施力齒輪的安裝軸為從動軸，所述框架內(nèi)還設(shè)有動力裝置，所述動力裝置通過傳動機構(gòu) 連接至主動軸，從而帶動齒輪副轉(zhuǎn)動。
[0006] 在采用上述技術(shù)方案的同時，本實用新型還可以采用或者組合采用以下進一步的 技術(shù)方案：
[0007] 所述齒輪副為兩對，兩對齒輪副位于不同的平面上，兩對齒輪副的施力齒輪中心 連線相互垂直。
[0008] 所述齒輪副的兩個施力齒輪的上表面分別設(shè)有沿其周向均布的多個開孔，所述質(zhì) 量塊安裝在其中一個開孔內(nèi)，同一齒輪副的兩個施力齒輪上的質(zhì)量塊的質(zhì)量相同。
[0009] 所述傳動機構(gòu)包括蝸桿、傳動軸、傳動齒輪和冠齒輪，所述蝸桿與所述傳動軸相互 配合進行傳動，所述蝸桿連接至動力裝置的輸出軸，所述蝸桿與所述傳動軸的動力輸出方 向相互垂直，所述傳動齒輪連接在所述傳動軸的兩端，并能隨所述傳動軸轉(zhuǎn)動，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軸兩端的傳動齒輪嚙合，所述 小冠齒輪連接在驅(qū)動位于上部的齒輪副的主動軸下端，并能與該主動軸同步轉(zhuǎn)動，所述大 冠齒輪連接在驅(qū)動位于下部的齒輪副的主動軸下端，并能與該主動軸同步轉(zhuǎn)動。
[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)被壓入試驗砂土中。
[0012] 所述動力裝置為電機，所述電機連接至穩(wěn)壓電源。
[0013] 如圖1所示，本實用新型的基本原理是利用質(zhì)點m沿著半徑為r的圓弧做角頻率 為ω的勻速圓周運動時，將產(chǎn)生一個大小為^的離心力：
[0014] Fn=mr2ω
[0015] 據(jù)此，在圖2所示的由兩個相互咬合的齒輪組成的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)里，左右兩個齒輪各 自以相同轉(zhuǎn)速沿不同方向進行旋轉(zhuǎn)，假設(shè)初始時刻在兩個齒輪的位置a處各有一個質(zhì)量分 別為叫和m2的質(zhì)點（忽略齒輪本身質(zhì)量的影響），則當(dāng)兩個質(zhì)點隨著齒輪旋轉(zhuǎn)時將分別會 對圓心產(chǎn)生一個大小分別為Fnl和Fn2的離心力。
[0016] Fnl =m^ω2
[0017] Fn2 =m2rω2
[0018] 質(zhì)點叫和m2在整個旋轉(zhuǎn)過程中的位置保持對稱，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，將會對整個齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生一個相互正交的且大小分別為 匕和Fγ的合力，并隨轉(zhuǎn)動角度分別按余弦和正弦規(guī)律變化，特殊的，當(dāng)mm2=m時，理論 上僅在Y方向產(chǎn)生大小為F'γ的簡諧荷載。
[0019] Fx= (m「叫)rω2cosΘ
[0020] FY=(m1+m2)rω2sinθ
[0021] F' Y= 2mrω2sinΘ
[0022] 本實用新型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），本實用新型可以產(chǎn) 生更為復(fù)雜的加載條件，尤其是海上風(fēng)機所受風(fēng)向改變時會產(chǎn)生兩個方向的荷載，能更好 地模擬海上風(fēng)機所受的不確定荷載形式，由于本實用新型采用了機械連接的兩組動力施加 裝置，四個施力齒輪轉(zhuǎn)速完全相同，避免了使用兩組簡單動力施加裝置獨立運行而引起相 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驗結(jié)果不可重復(fù)，為了適應(yīng)更多 類型的加載路徑，本實用新型還為設(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，在試驗前可以進行更換以產(chǎn)生豐富的循環(huán)加載路徑，底部傳動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)，上下錯開正交布置。 整個裝置包括齒輪的大小可以根據(jù)試驗需要作相應(yīng)變換，為了后續(xù)計算方便，本設(shè)計取重 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通過一根傳動軸將動力傳遞至冠 齒輪，從而實現(xiàn)裝置的運作。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的切線方向。兩層的質(zhì)量塊質(zhì)量可以不同，方便在兩個方向施加不同 幅值的荷載。動力由電機提供，直流穩(wěn)壓電源控制電路電壓，達到恒定電機轉(zhuǎn)速的目的。進 行試驗前，通過測速機校核輸出電壓U與齒輪轉(zhuǎn)速R的關(guān)系，進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)試驗的進行。
[0024]本實用新型的有益效果是：本實用新型可以對模型施加雙向的循環(huán)荷載，如果將 裝置安裝在一定的坡度上，還可對模型施加三維荷載；本裝置能輕易達到風(fēng)機模型試驗所 需的低頻振動；使用本實用新型對風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)動力特性的變化進行研究時，無需像普通 激振器一樣每次測試自振頻率前都要斷開激振器連接，造成不必要的麻煩甚至土體擾動， 因此本實用新型在特定試驗領(lǐng)域優(yōu)于激振器。
【附圖說明】
[0025] 圖1是單質(zhì)點進行圓周運動時的受力圖。
[0026] 圖2是本實用新型的原理圖。
[0027]圖3a是本實用新型使用1:2齒數(shù)的大小冠齒輪產(chǎn)生的xy方向循環(huán)荷載路徑圖。
[0028]圖3b是本實用新型使用1:4齒數(shù)的大小冠齒輪產(chǎn)生的xy方向循環(huán)荷載路徑圖。
[0029]圖3c是本實用新型使用2:3齒數(shù)的大小冠齒輪產(chǎn)生的xy方向循環(huán)荷載路徑圖。
[0030]圖3d是本實用新型使用1:3齒數(shù)的大小冠齒輪產(chǎn)生的xy方向循環(huán)荷載路徑圖。
[0031] 圖4a是本實用新型的多向循環(huán)加載裝置一個方向的立體圖。
[0032] 圖4b是本實用新型的多向循環(huán)加載裝置另一個方向的立體圖。
[0033] 圖5是本實用新型的多向循環(huán)加載裝置的正視圖。
[0034] 圖6是本實用新型的多向循環(huán)加載裝置的左視圖。
[0035] 圖7是本實用新型的多向循環(huán)加載裝置的俯視圖。
[0036] 圖8是圖5的A-A剖視圖。
[0037] 圖9是本實用新型的多向循環(huán)加載裝置的底座傳動軸示意圖。
[0038]圖10是本實用新型的多向循環(huán)加載裝置在海上風(fēng)機模型上的安裝示意圖。
【具體實施方式】
[0039] 參照附圖4a_10。
[0040] 本實用新型的多向循環(huán)加載裝置包括框架5,框架5設(shè)置在基座6上，框架5內(nèi)安 裝有齒輪副2,齒輪副2為兩對，分別處于不同的水平面上，齒輪副2包括兩個相互咬合的施 力齒輪21，兩個施力齒輪21的上表面各自設(shè)有多個沿其周向均布的開孔22,施力齒輪21 上設(shè)有質(zhì)量塊1，質(zhì)量塊1通過安裝桿11固定安裝在開孔22內(nèi)，兩個施力齒輪21上的質(zhì)量 塊1對稱設(shè)置，質(zhì)量塊1能夠隨其所在的施力齒輪21的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，開孔22的中心到其所 在的施力齒輪中心的距離即為質(zhì)量塊1的轉(zhuǎn)動半徑，質(zhì)量塊1的轉(zhuǎn)動半徑小于其所在的施 力齒輪21的半徑，在本實施例中，取轉(zhuǎn)動半徑r= 3cm，同一層的施力齒輪21上的質(zhì)量塊1 的質(zhì)量相同