大型風(fēng)電葉片模具設(shè)計(jì)制造研究

石鵬飛

（三一重能有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410100）

0 引言

隨著大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展和南方低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，長(zhǎng)葉片技術(shù)研究愈發(fā)顯得重要。而葉片的制作離不開(kāi)模具，一套高精度、長(zhǎng)壽命的風(fēng)機(jī)葉片模具是高質(zhì)量葉片成型的基礎(chǔ)，同時(shí)也是降低風(fēng)機(jī)葉片制作成本的重要保障。

許蕾[1]等利用UG軟件的建模及分析能力，對(duì)葉片模型進(jìn)行法蘭設(shè)計(jì)和分段鋼架設(shè)計(jì)，為風(fēng)機(jī)葉片模具分段設(shè)計(jì)提供了參考。李義全[2]等提出采用補(bǔ)償性設(shè)計(jì)減少葉根基圓的收縮變形，為葉片模具型面精度控制有重要指導(dǎo)作用。馮消冰[3]等從機(jī)械、液壓、電控三個(gè)方面介紹了一種全液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)優(yōu)化控制，樂(lè)韻斐[4]等通過(guò)Matlab優(yōu)化工具箱對(duì)風(fēng)電葉片模具液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，均為風(fēng)機(jī)葉片模具的整體優(yōu)化發(fā)展開(kāi)創(chuàng)了新的思路。楊帥[5]等研究風(fēng)電葉片模具電阻絲加熱的電加熱控制系統(tǒng)，大大提高了風(fēng)電葉片模具加熱系統(tǒng)的溫升速率。

本文從傳統(tǒng)風(fēng)電葉片模具出發(fā)，闡述殼體陽(yáng)模具、殼體主模具設(shè)計(jì)制作工藝，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)制作過(guò)程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)和檢測(cè)項(xiàng)進(jìn)行分析和總結(jié)，為各類型號(hào)風(fēng)電葉片模具設(shè)計(jì)制作提供重要實(shí)踐參考。

1 模具整體概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片組成包括迎風(fēng)面殼體（PS面殼體）、背風(fēng)面殼體（SS面殼體）、腹板。其中PS面殼體、SS面殼體包含蒙皮、大梁、芯材及葉根組件。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片示意圖

從葉根往葉尖段剖開(kāi)截面如圖2所示。

圖2 葉片截面示意圖

葉片制作時(shí)，腹板、大梁分別在腹板模具、大梁模具預(yù)制成型，殼體（含蒙皮、預(yù)制大梁、芯材及葉根組件）在殼體主模具一起鋪設(shè)成型。殼體成型后，腹板吊裝至殼體進(jìn)行定位粘接，然后PS面殼體和SS面殼體合模粘接成型。

一套風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片模具組成包括：殼體陽(yáng)模、殼體主模具、大梁模具、腹板模具。陽(yáng)模具表面機(jī)加成型，用來(lái)翻制殼體主模具和大梁模具。腹板模具一般為鐵制表面模具，用來(lái)制作葉片腹板。各部件模塊功能如圖3所示。

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片模具各模塊示意圖

2 殼體陽(yáng)模

殼體陽(yáng)模包括鋼架支撐體和玻璃鋼層，陽(yáng)模設(shè)計(jì)制作流程如圖4所示。

圖4 陽(yáng)模設(shè)計(jì)制作流程示意圖

由于殼體主模具SS面、PS面分別在固定的陽(yáng)模SS面、PS面上翻制，陽(yáng)模為相對(duì)靜態(tài)的使用過(guò)程，因此陽(yáng)模鋼架支撐體主要考慮強(qiáng)度和剛度性能指標(biāo)。為了便于操作，陽(yáng)模鋼架高度設(shè)計(jì)在保證剛度的前提下盡量矮，一般最低高度不能小于500 mm。

葉片葉根端面豎直放置時(shí)，葉尖高度太高。為降低所設(shè)計(jì)模具的整體高度，一般將葉片往葉尖傾斜一定角度放置，即葉根端面同豎直平面成一夾角，夾角范圍0~5°不等，根據(jù)葉片預(yù)彎值進(jìn)行確定。根據(jù)模具設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度，可將模具分為若干段進(jìn)行對(duì)接。目前現(xiàn)有數(shù)控CNC加工中心長(zhǎng)度大約為30 m，同時(shí)考慮每段運(yùn)輸?shù)谋憬菪院统杀荆话忝慷侮?yáng)模長(zhǎng)度不超過(guò)15 m。

2.1 陽(yáng)模鋼架支撐體

陽(yáng)模鋼架支撐體從下至上可分為框架層、卡板層、型面層，單段陽(yáng)模示意如圖5所示。每段獨(dú)立陽(yáng)模要設(shè)計(jì)吊裝工裝，吊裝位置處設(shè)計(jì)雙截面，防止吊裝變形。

圖5 陽(yáng)模單段鋼架示意圖

鋼架斷面示意如圖6所示，包含橫梁、縱梁、立柱和斜撐。其中縱梁選用鋼材較之其他件號(hào)大一種尺寸規(guī)格，以60 m長(zhǎng)度模具為例，其他件號(hào)選用鋼材型號(hào)為80 mm的方管，縱梁選用鋼材型號(hào)為100 mm的方管。

圖6 鋼架斷面示意圖

鋼架支撐體制作主要步驟如下：

（1）搭建輔助基準(zhǔn)平臺(tái)，調(diào)整水平面；

（2）在輔助基準(zhǔn)平臺(tái)上焊接制作鋼架支撐體框架層，保證框架層直線度、立柱垂直度；

（3）定位焊接卡板層卡板和加強(qiáng)筋板；

（4）型面層隨形小方管鋪設(shè)焊接，小方管從前后緣往中間鋪設(shè)，各段鋼架對(duì)接處小方管設(shè)計(jì)預(yù)留大約30 mm間隙；

（5）鋼架做振動(dòng)時(shí)效處理。

2.2 陽(yáng)模玻璃鋼層

陽(yáng)模玻璃鋼最外層型面機(jī)加成型，氣動(dòng)外形和葉片型面理論上完全一致。由于殼體主模具在陽(yáng)模上翻制時(shí)存在收縮變形，陽(yáng)模葉根段1 m范圍內(nèi)型面外徑設(shè)計(jì)增大5~10 mm，殼體主模具葉根段翻制后外徑偏差范圍要求一般為0~+2 mm。

陽(yáng)模玻璃鋼層從下往上包括膩?zhàn)訉印⒉＠w層、代木層、表面層，如圖7所示。

圖7 陽(yáng)模玻璃鋼層示意圖

膩?zhàn)訉又饕袣庀喽趸琛?shù)脂和固化劑（手糊樹(shù)脂及固化劑配比為100∶32）。鋼架支撐體型面層隨形小方管打磨后刮涂膩?zhàn)訉樱畛涿芊庑》焦苤g的間隙，整體厚度超出小方管大約1 mm。固化后打磨表面，增大表面粗糙度，然后鋪設(shè)手糊大約5 mm厚度四軸向玻纖布。玻纖布層固化后打磨表面，增大粗糙度，開(kāi)始鋪設(shè)代木層。代木層的厚度根據(jù)各區(qū)域分布有所不同，以本設(shè)計(jì)為例，葉根至距離葉尖5 m區(qū)域內(nèi)，隨形小方管設(shè)計(jì)高度比型面矮20 mm，型面鋪設(shè)代木層的厚度一般為30 mm，葉尖5 m區(qū)域內(nèi)隨形薄板設(shè)計(jì)高度比型面矮25 mm，型面鋪設(shè)代木層厚度一般為35 mm，預(yù)留代木層加工厚度10 mm。

陽(yáng)模代木層機(jī)加工藝過(guò)程：吊運(yùn)與固定→對(duì)刀→試切與調(diào)整→粗加工→型面檢查與修補(bǔ)→精加工→型面檢測(cè)。

表面層主要為易打磨膠衣，在陽(yáng)模型面代木層機(jī)加和各分段對(duì)接后噴涂，固化后厚度約0.5 mm，表面層的作用用于保證模具表面的光潔度和表面防護(hù)。

2.3 各分段陽(yáng)模對(duì)接

各分段陽(yáng)模代木層經(jīng)過(guò)數(shù)控CNC加工后，需要拼接成為一個(gè)整體。首先通過(guò)粗調(diào)將各分段模具擺放在相應(yīng)的對(duì)接位置，然后根據(jù)中心線標(biāo)記調(diào)整中心軸線直線度，限制弦線方向移動(dòng)和繞豎直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度；根據(jù)中心軸線長(zhǎng)度測(cè)量控制葉展方向移動(dòng)和繞弦線方向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度；根據(jù)型面高度、標(biāo)高和其他設(shè)計(jì)定位基準(zhǔn)調(diào)整前、后緣高度，限制上下方向移動(dòng)和繞葉根葉尖中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。

各分段陽(yáng)模對(duì)接位置精調(diào)確定后，對(duì)接縫處型面（寬度約200 mm）打磨至玻璃鋼層。手糊大約5層玻纖布層，然后鋪設(shè)大約5 mm厚度的代木層，固化后打磨對(duì)接縫型面，光滑過(guò)渡。代木層外表面噴涂易打磨膠衣，后續(xù)修磨表面至合格。經(jīng)過(guò)型面后處理合格的陽(yáng)模如圖8所示。

圖8 殼體陽(yáng)模具生產(chǎn)圖

2.4 殼體陽(yáng)模檢測(cè)項(xiàng)目

陽(yáng)模制作過(guò)程中檢驗(yàn)控制的項(xiàng)目為鋼架尺寸檢測(cè)、原材料檢測(cè)、工藝過(guò)程控制。陽(yáng)模制作驗(yàn)收需要檢測(cè)的項(xiàng)目主要包括鋼架外觀檢測(cè)、模具玻璃鋼表面外觀檢測(cè)（包括米刻標(biāo)識(shí)等）、表面粗糙度檢測(cè)（Rz≤8 μm）、真空保壓檢測(cè)（保壓30 min，壓力上升小于4 kPa）、長(zhǎng)度檢測(cè)（偏差≤±設(shè)計(jì)長(zhǎng)度/1 000 mm）、型面激光檢測(cè)（整體水平偏差≤±3.5 mm）。

3 殼體主模具

殼體主模具包括鋼架支撐體和玻璃鋼層（含加熱系統(tǒng)）、法蘭機(jī)構(gòu)、液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)。殼體主模具玻璃鋼層在陽(yáng)模上翻制成型，殼體主模具設(shè)計(jì)制作流程如圖9所示。

圖9 殼體主模具設(shè)計(jì)制作流程示意圖

3.1 鋼架支撐體

鋼架支撐體包括SS面和PS面鋼架支撐體，合模狀態(tài)如圖10所示。合模后鋼架高度一般不超過(guò)5 000 mm，鋼架截面間距一般取1 500~2 000 mm，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩側(cè)各一個(gè)截面間距取800~1 000 mm，保證翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝處鋼架的強(qiáng)度和剛度。

圖10 殼體主模具鋼架支撐體合模示意圖

殼體主模具鋼架支撐體從下至上可分為三個(gè)部分：框架層、卡板層、預(yù)埋層。如圖11所示，框架層為型鋼制作的主體框架，卡板層分布在每個(gè)截面，和每個(gè)截面的框架主體焊接。預(yù)埋層包括中間預(yù)埋件和縱梁預(yù)埋件，中間預(yù)埋件包括預(yù)埋型鋼、調(diào)節(jié)螺栓和支架，支架焊接在每個(gè)截面的卡板上，中間相鄰預(yù)埋型鋼之間的寬度一般為600 mm。縱梁上預(yù)埋件包括預(yù)埋型鋼、支架和調(diào)節(jié)支撐座。支架和預(yù)埋型鋼焊接，裝配在調(diào)節(jié)支座上，可實(shí)現(xiàn)上下方向、弦線方向移動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖11 殼體主模具鋼架截面示意圖

3.2 殼體主模具玻璃鋼層

殼體模具根端法蘭和前后緣法蘭均需預(yù)留300 mm的操作寬度。殼體主模具玻璃鋼層從外往內(nèi)依次為保溫層、第二層結(jié)構(gòu)層、加熱層、第一層結(jié)構(gòu)層、表面層。如圖12所示，表面層一般為高光膠衣或碳?xì)郑穸却蠹s1 mm，可采用手糊或真空灌注。第一層結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)短切氈和四軸向玻纖布，厚度大約10 mm，采用真空灌注，加熱層包括鋁網(wǎng)、鋁粉、銅管和輕木，厚度大約20 mm，第二層結(jié)構(gòu)層包括短切氈和四軸向玻纖布，厚度大約10 mm，采用真空灌注，保溫層主要為聚氨酯泡沫，厚度大約50 mm。

圖12 殼體主模具玻璃鋼鋪層結(jié)構(gòu)示意圖

加熱層可根據(jù)殼體型面整體面積進(jìn)行分區(qū)，各分區(qū)面積大致相等。銅管尺寸規(guī)格采用φ12×1 mm，最長(zhǎng)不超過(guò)70 m，銅管繞行之間的間距一般不超過(guò)80 mm。銅管之間填充鋁粉和輕木，同時(shí)保證加熱傳導(dǎo)性能和玻璃鋼層的強(qiáng)度。

根據(jù)殼體型面面積和水系統(tǒng)加熱溫升速率（不低于20℃/h），計(jì)算加熱系統(tǒng)所需模溫機(jī)的功率，參考60 m模具模溫機(jī)選型，單臺(tái)模溫機(jī)功率不低于120 kW，選用兩臺(tái)。

3.3 法蘭機(jī)構(gòu)

法蘭機(jī)構(gòu)安裝在模具的根端，主要用于葉片制作時(shí)預(yù)埋螺栓套的定位。如圖13所示，鋼制法蘭板采用45#鋼，厚度一般不小于60 mm。兩個(gè)半塊法蘭板通過(guò)鉸接座安裝在鋼架上，同時(shí)帶有鎖緊螺栓進(jìn)行鎖緊，上下法蘭塊通過(guò)楔形塊進(jìn)行導(dǎo)向定位。

圖13 法蘭機(jī)構(gòu)示意圖

上下法蘭平面度安裝要求誤差≤1 mm，法蘭和模具型腔同軸度偏差≤1 mm。法蘭開(kāi)合采用油缸伸縮機(jī)構(gòu)，開(kāi)合角度設(shè)計(jì)盡可能大，預(yù)留法蘭板內(nèi)側(cè)清膠空間。為了改善葉根加熱固化效果，法蘭預(yù)埋加熱管路，可采用水加熱或電加熱。

3.4 液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)

液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要包括鎖緊、頂升機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。首先計(jì)算確定翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分布位置，保證翻轉(zhuǎn)過(guò)程鋼架的變形最小，然后根據(jù)所確定翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位置的支反力矩，計(jì)算所需翻轉(zhuǎn)油缸的缸徑和桿徑大小。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝示意如圖14所示。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝主要保證各翻轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)中心的同軸度，偏差不超過(guò)1 mm，同時(shí)要確保翻轉(zhuǎn)中心的高度不小于翻轉(zhuǎn)所需的最低高度。

圖14 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝示意圖

頂升機(jī)構(gòu)布置根據(jù)殼體主模上模具和葉片上殼體重量，計(jì)算各個(gè)頂升點(diǎn)支反力，一方面保證各個(gè)支反力差值小，另一方面根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要保證頂升狀態(tài)下鋼架變形在允許范圍內(nèi)，懸臂最大變形量小于懸臂長(zhǎng)度的1/300。根據(jù)頂升狀態(tài)下鋼架葉尖變形量大小確定是否需要在尖部中間位置單獨(dú)設(shè)置一個(gè)頂升機(jī)構(gòu)。

鎖緊機(jī)構(gòu)分布在每個(gè)鋼架截面，前、后緣均有。有頂升機(jī)構(gòu)的截面鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊方式為弦向鎖緊，沒(méi)有頂升機(jī)構(gòu)的截面鎖緊機(jī)構(gòu)為展向鎖緊方式。鎖緊機(jī)構(gòu)油缸提供的壓力一般不小于16 MPa。

安裝調(diào)試完成后殼體主模具如圖15所示。

圖15 殼體主模具生產(chǎn)圖

3.5 殼體主模具檢測(cè)項(xiàng)目

殼體主模具制作過(guò)程中檢驗(yàn)控制的項(xiàng)目為鋼架尺寸檢測(cè)、原材料檢測(cè)、工藝過(guò)程控制。殼體模具制作驗(yàn)收需要檢測(cè)的項(xiàng)目主要包括鋼架外觀檢測(cè)、模具外觀檢測(cè)（米刻標(biāo)識(shí)等）、表面粗糙度檢測(cè)（Rz≤ 8 μm）、真空保壓檢測(cè)（保壓30 min，壓力上升小于4 kPa）、長(zhǎng)度檢測(cè)（偏差≤±設(shè)計(jì)長(zhǎng)度/1 000 mm）、型面激光檢測(cè)（整體水平偏差≤±5 mm）。

4 大梁模具及腹板模具

大梁模具包括鋼架支撐體和玻璃鋼層（含加熱系統(tǒng)），玻璃鋼鋪層可以在殼體陽(yáng)模上翻制，設(shè)計(jì)與制作工藝和殼體主模具類似。

大梁模具生產(chǎn)如圖16所示。玻璃鋼型面精度和表面質(zhì)量要求同殼體主模具一致。

圖16 大梁模具生產(chǎn)圖

腹板模具一般設(shè)計(jì)鐵腹板形式，包括鋼架支撐體、腹板平臺(tái)組件、加熱系統(tǒng)和保溫層。腹板平臺(tái)用鐵制平板替代玻璃鋼平面，其余設(shè)計(jì)與制作工藝和殼體主模具類似。

腹板模具生產(chǎn)如圖17所示。平臺(tái)面平整度要求≤±3 mm，表面粗糙度≤12.5 μm。

圖17 腹板模具生產(chǎn)圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）陽(yáng)模設(shè)計(jì)在葉根處對(duì)外圓直徑進(jìn)行預(yù)擴(kuò)大處理，為殼體主模具翻制后葉根外圓預(yù)留收縮量。制作工藝首先要保證鋼架支撐體及型面層制作精度，其次嚴(yán)格控制代木層鋪層厚度、質(zhì)量和CNC加工精度，最后保證陽(yáng)模分段對(duì)接精度、型面精度和氣密性。

（2）殼體主模具設(shè)計(jì)要嚴(yán)格控制上模翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的變形量，同時(shí)保證液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的同步精度和葉根端面鋼法蘭機(jī)構(gòu)的平面度和同軸度。制作工藝要保證玻璃鋼灌注層質(zhì)量、加熱層鋪設(shè)質(zhì)量、表面質(zhì)量、型面精度以及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和法蘭機(jī)構(gòu)裝配精度。

（3）按此工藝設(shè)計(jì)制作60 m葉片模具，制作出葉片型面精度滿足設(shè)計(jì)要求，樣片通過(guò)靜力、固有頻率、疲勞測(cè)驗(yàn)，為葉片質(zhì)量提供生產(chǎn)保證。