數控下料誤差對塔架法蘭平面度的影響及控制*

林定果，何衛東，門永卿，張 鴻，張劍琴

(1.酒鋼集團 西部重工股份公司，甘肅 嘉峪關 735100； 2.甘肅省機械科學研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

塔架是連接風力發電機組的重要部件，它承受了風力作用在葉輪上的推力、扭矩、彎矩、陀螺力矩，電機振動及受力變化時也會引起塔架擺動。法蘭則是塔架之間連接的關鍵部件，既要承受發電機組運行時的各種力矩，同時要保證塔架整體的垂直度、同軸度等幾何尺寸保持在設計要求的誤差范圍之內。

在風電塔架制造過程中，只有控制好塔段的法蘭平面度和塔段各筒節的同軸度、垂直度，才能保證整個風電機組整體質量可靠、吊裝過程順利、投入使用后運行平穩。而在塔架制作過程中，塔架筒體數控下料誤差是影響法蘭平面度的最重要因素，直接決定了法蘭平面度的幾何指標狀況[1]。

筆者以遠景能源EN141/2.5型塔架的上段直形筒體為例，首先展開下料設計圖形和下料超差圖形，再對筒體卷制成型后的筒體端面平面度進行測量，經過二者筒體端面平面度對比，探討塔架數控下料誤差對法蘭平面度的影響。

1 風電塔架結構形式及相關要求

風電塔架是由若干節筒體連接法蘭組焊成若干段塔筒，在風電安裝現場使用高強螺栓連接各段塔筒法蘭而成。塔筒筒節有直形和錐形兩種筒體，筒體是鋼板經數控切割下料后卷制成筒節并焊接成型，由于數控切割機切割筒節程序、設備精度、保養狀況等因素影響，塔架法蘭平面度幾何尺寸時有超標現象。

依據風電塔架制造檢驗規范要求[2]，塔筒數控下料后的鋼板寬度誤差≤2 mm，對角線誤差≤3 mm，測量方法及數據值如圖1所示。下料公差(單位mm)：F±2，E±2； 板寬之差J≤2 ；|M1-M2|≤3 。

圖1 板材切割尺寸檢測

依據風電塔架制造技術規范要求[3]，塔架頂部法蘭平面度為0.5 mm，其它連接法蘭平面度為1.5 mm，而由于塔筒筒體數控下料的超差，雖然可能只是在5 mm以內，但仍然造成法蘭平面度的超差。

2 幾種常見塔筒直形筒體展開下料誤差

2.1 塔筒直形筒體展開

塔筒直形筒體依據平行線展開法展開，按照筒體板厚中徑展開，筒體展開圖為矩形，矩形長度L=φ(筒體中徑)× π，以EN141/2.5型塔架為例，塔架上段第一節(S1)筒體如圖2所示。

圖2 筒體尺寸及展開圖

直形筒體的上下端面邊沿線展開后為平行的矩形兩長邊(筒體中徑φ3 640 mm，高度2 000 mm；展開圖為矩形，長度11 435.397 mm，寬度2 000 mm)，矩形兩條長邊的平行度及直線度決定了筒體上下端面的平面度，矩形長度決定了筒體直徑誤差，長邊與短邊的垂直度決定了筒體縱縫的垂直度。

2.2 常見直形塔筒筒體展開下料誤差圖形

2.2.1 料寬度誤差

由于數控切割機軌道平行度偏差等原因，造成筒體展開料寬度超寬或超窄等缺陷，如圖3所示。圖3中的實線部分為設計筒體展開圖，虛線部分是超寬或超窄部分， 圖中J為設計寬度，J0為下料切割后的鋼板寬度，圖3(a)中J0=J+J1+J2，圖3(b)中J0=J-J1-J2。

圖3 直形筒體展開誤差示意圖

在實際數控下料中，J1和J2有可能有一個數據為0 mm，即可能矩形長度方向單邊超寬或超窄。

2.2.2 料長度方向直線度誤差

由于數控切割機軌道直線度偏差及主副機頭鎖緊裝置問題等原因，造成筒體展開料長度方向寬窄不一等缺陷，如圖4所示。圖4中的實線部分為設計筒體展開圖，虛線部分是直線度誤差部分及展開料24等分線， 圖中J為設計寬度，Ja1和Ja2為下料切割后的鋼板超寬尺寸，Jb1和Jb2為下料切割后的鋼板超窄尺寸，圖4中的直線超差值為Ja1+Jb1或為Ja2+Jb2。

圖4 不同情況誤差示意圖

在實際數控下料中，Ja1+Jb1和Ja2+Jb2有可能有一個和值為0 mm，即可能矩形長度方向單邊直線度超寬或超窄。

2.2.3 料矩形對角線(平行四邊形)誤差

由于數控切割機的主梁扭曲、軌道齒輪問題、主副機頭鎖緊裝置問題、鋼帶缺陷等原因，造成筒體展開料矩形對角線誤差缺陷，如圖5所示。圖5中的實線部分為設計筒體展開圖，虛線部分是矩形對角線誤差部分，J為設計寬度，E和F為筒體下口和上口展開長度，E1、E2和F1、F2為筒體下口和上口展開長度誤差，M1和M2為展開料對角線長度，M1=M2，Ma0和Mb0為數控下料后對角線長度，Ma0>M1(M2)，Mb0

圖5 直形筒體展開料矩形對角線(平行四邊形)誤差示意圖

在實際數控下料中，可能存在一個方向或兩個方向的對角線長度大于或小于設計值，或一個方向對角線長度大于設計值而另一個方向的對角線長度等于設計值，或一個對角線長度小于設計值而另一個方向的對角線長度等于設計值，即F1和F2不等于0 mm，而E1和E2可能等于0 mm，或E1和E2不等于0 mm，而F1和F2可能等于0 mm。

2.2.4 料矩形對角線(梯形)誤差

由于數控切割機主梁扭曲、軌道齒輪問題、主副機頭鎖緊裝置問題、鋼帶缺陷等原因，造成筒體展開料矩形對角線誤差缺陷，如圖6所示。圖6中的實線部分為設計筒體展開圖，虛線部分是矩形對角線(梯形)誤差部分， 圖中J為設計寬度，E和F為筒體下口和上口展開長度，E1、E2和F1、F2為筒體下口和上口展開長度誤差，M1和M2為展開料對角線長度，M1=M2，M01和M02為數控下料后對角線長度，M01和M02分別大于和小于M1(M2)。

圖6 直形筒體展開料矩形對角線(梯形)誤差示意圖

在實際數控下料中，可能存在一個方向或兩個方向的對角線長度大于或小于設計值，或一個方向對角線長度大于設計值而另一個方向的對角線長度等于設計值，或一個對角線長度小于設計值而另一個方向的對角線長度等于設計值，即F1和F2不等于0 mm，而E1和E2可能等于0 mm，或E1和E2不等于0 mm，而F1和F2可能等于0 mm。

2.2.5 對比總結

以上四種誤差缺陷在實際制造過程中，可能單獨出現，也有可能兩種或兩種以上缺陷誤差同時出現，因此要根據數控下料后的誤差數值，及時修復數控切割機。檢查數控程序、軌道直線度和平面度，保證正副機頭運行正常，鋼帶無缺陷，并定期進行設備維護，保證數控切割質量符合技術規范要求。

3 直形塔架筒體數控下料誤差對塔架法蘭平面度影響

通過塔架直形塔筒筒體展開下料誤差與原設計筒體展開圖的比對，找出原設計筒節展開圖與誤差變形后筒節展開圖之間的高度差值，使用EasyLaser平面度分析軟件，分析筒節端面(文中按筒節與法蘭接口端面分析)平面度，查找與塔架技術規范中要求的法蘭平面度的差異，從而確定塔筒筒節展開下料誤差范圍，控制塔筒筒節數控下料質量，提高塔筒法蘭平面度質量。

以EN141/2.5型塔架上段第一節(S1)筒節為例進行分析，上口(以上圖中矩形F邊)與塔筒連接法蘭連接，根據數控下料的各種誤差情況，按照24點測量分析筒節上口平面度，平面度測量點及對應展開圖測量點如圖7所示。

圖7 法蘭平面度測量點示意圖

圖7中的實線部分為設計筒體展開圖，虛線部分是筒節展開24等分線，J為設計寬度，F為筒體上口展開長度，筒節測量點為24個點，1點為起始點，24點為最終點，對應展開圖中的1～24點；圖7(b)中左邊的第一點為起始點，最右邊的第一點在筒節卷制后與左邊的第一點重合，如展開圖中兩點寬度J數值不同，卷制合口是以F直線對齊，保證與法蘭接口焊縫平直。

通過比對筒節上口下料形狀誤差與筒節下料展開上口設計形狀之間的24等分點高度差值，即圖3、4中的J1、Ja1與J的24等分點差值，再使用平面度分析軟件模擬筒節上口平面度，得出筒節上口平面度，從而判定筒節數控下料誤差對法蘭平面度的影響，最終得出如下結論。

(1) 直形筒節寬度誤差對法蘭平面度的影響。

從圖3的直形筒節寬度誤差分析發現，筒節上口為一直線，卷制成筒節后，對筒節平面度沒有影響，僅是影響筒節的同軸度。

(2) 直形筒體展開料矩形對角線(平行四邊形)誤差對法蘭平面度的影響。

從圖5的直形筒體展開料矩形對角線(平行四邊形)誤差分析發現，筒節上口也為一直線，卷制成筒節后，對筒節平面度沒有影響，只是影響筒節的同軸度和縱縫垂直度。

(3) 直形筒體展開料矩形對角線(梯形)誤差對法蘭平面度的影響。

分析直形筒體展開料矩形對角線(梯形)誤差，筒節卷制后，由于展開上下口邊長不同，筒節上下口直徑大小不同，筒節成型后為錐形筒節，如圖8所示，圖8(a)為F>E，圖8(b)為F

圖8 直形筒體展開料矩形對角線(梯形)誤差示意圖

(4) 直形筒體展開料長度方向直線度誤差對法蘭平面度的影響。

依據直形筒體展開料長度方向直線度誤差的展開圖形，模擬筒節卷制成型，使用EasyLaser平面度分析軟件分析筒節上口平面度，得出直形筒體展開料長度方向直線度各種誤差所對應的平面度數值，模擬測量數值如表1。

表1 不同尺寸誤差對應平面度模擬測量數值表

通過表1平面度測量結果比對發現，直形筒體展開料長度方向波浪形誤差對塔架平面度有較大影響，筒節展開誤差點越多影響越大，筒節展開誤差值與筒節平面度誤差值成正比。

4 塔筒直形筒體展開下料誤差的控制

通過以上塔筒直形筒體展開下料的誤差與塔筒筒節端面平面度的比對發現，直形筒體展開料長度方向直線度誤差對塔筒法蘭平面度影響較大，特別是筒體展開料長度方向波浪形誤差對法蘭平面度影響最大，波浪形誤差值是法蘭平面度值的2倍，筒體展開料長度方向直線度誤差在2個點以內時(圖4)，誤差值是法蘭平面度值的1.2倍，其它塔筒直形筒體展開下料的誤差對法蘭平面度影響較小。

因此，塔筒數控下料時應嚴格控制塔筒展開料直線度誤差，誤差不得超過±2 mm，并確保誤差同時為正差或負差，不得有正差和負差同時出現的現象，嚴禁波浪形直線度誤差出現，與塔筒頂部法蘭相接的筒節的數控下料誤差應在1 mm以內。對于錐形塔筒，塔筒筒節展開后，上口扇形弧線的光滑度與直形塔筒展開料直線度相同，弧線光滑起伏的高度誤差，決定著塔筒法蘭的平面度，都應控制在2 mm(頂部法蘭相接筒體為1 mm)以內。

通過與法蘭相接筒節數控下料誤差的控制，可有效控制塔筒法蘭平面度，使塔架滿足技術規范要求。

5 結 語

在總結多年塔架法蘭平面度管控的基礎上，探討了幾種常見塔筒直形筒體展開下料誤差的原因，分析了直形塔架筒體數控下料誤差對塔架法蘭平面度的影響。塔筒直形筒體展開下料誤差的控制應該通過采用數控編程技術、使用精度較高的數控切割機、選擇合理的切割參數等一系列措施，確保板材四周的切口垂直度以及外觀光滑平整，這些措施可有效控制筒節數控下料誤差標準，從而有效解決塔架法蘭平面度超標問題。