風(fēng)輪葉片中夾芯材料選取的分析

文 | 路超，劉賓賓，楊朋飛

風(fēng)輪葉片中夾芯材料選取的分析

文 | 路超，劉賓賓，楊朋飛

風(fēng)電葉片制造的主要材料有玻璃布、夾芯材料、樹(shù)脂、膠黏劑、涂料五種，夾芯材料作為關(guān)鍵材料之一，在葉片殼體的前緣、后緣以及內(nèi)部的剪切腹板中均采用夾層結(jié)構(gòu)。夾芯材料的使用可減輕葉片自身重量，增加結(jié)構(gòu)剛度，防止局部失穩(wěn)，進(jìn)而提高整個(gè)葉片的抗載荷能力，即在保證其穩(wěn)定性的同時(shí)降低葉片重量，使葉片在滿足剛度的同時(shí)增大捕風(fēng)面積。

風(fēng)電葉片中常用的夾芯材料有輕木和泡沫兩種，無(wú)論哪種夾芯材料都應(yīng)滿足以下特點(diǎn)：（1）比重小；（2）有極高的強(qiáng)度和硬度；（3）比熱小, 受氣溫變化影響小；（4）有良好的抗化學(xué)腐蝕性能；（5）有良好的防火性能；（6）與樹(shù)脂有良好的結(jié)合性。輕木是一種天然產(chǎn)品，泡沫是合成結(jié)構(gòu)的剛性材料，主要有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、丙烯腈－苯乙烯（SAN或AS）、聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等，其中PS和PET為熱塑性泡沫，PVC、SAN、PMI為熱固性泡沫。

隨著夾芯材料種類(lèi)的增多，風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可選性也隨之增加，但也帶來(lái)了一些困擾，如不同種類(lèi)夾芯材料的物理性能不同、工藝可操作性不同、樹(shù)脂吸膠量不同等，無(wú)論在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段還是在葉片制作過(guò)程均需對(duì)以上因素進(jìn)行考慮，本文將從上述幾個(gè)方面闡述風(fēng)電葉片夾芯材料的選取。

夾芯材料的物理性能

風(fēng)電葉片在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段各種主要材料選取時(shí)，首先要考慮所選材料本身的物理性能是否滿足葉片設(shè)計(jì)參數(shù)要求，夾層結(jié)構(gòu)的選取亦是如此，不同種類(lèi)夾芯材料的物理性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　不同種類(lèi)夾芯材料的物理性能

由表1中的參數(shù)可知，輕木作為一種天然產(chǎn)品，取材于自然環(huán)境，屬于環(huán)境友好型材料，泡沫均是人工制造的高分子聚合物材料，包括熱固性泡沫和熱塑性泡沫。熱塑性泡沫可以二次回收再利用，減少污染，熱固性泡沫屬于“一次性”產(chǎn)品。從環(huán)境污染方面考慮，輕木是首選，但是輕木的密度最大，選用時(shí)要考慮對(duì)風(fēng)電葉片重量的影響，長(zhǎng)度低于40米葉片的夾芯材料可以選用全輕木，對(duì)于較長(zhǎng)葉片可以考慮部分選用輕木部分使用泡沫；另外，由于輕木屬木棉科，是世界上最輕的樹(shù)種，較易吸水，在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中要做密封防潮處理，在生產(chǎn)制造過(guò)程中要求環(huán)境相對(duì)濕度不要超過(guò)80%，且使用前測(cè)試其含水率，一般要求含水率不要超過(guò)12%。不同種類(lèi)泡沫的密度也是不同的，PVC、SAN和PMI三種熱固性泡沫的密度相近，通常被應(yīng)用在殼體和剪切腹板的夾層結(jié)構(gòu)中。近幾年P(guān)MI泡沫已被PVC和SAN兩種泡沫取代了，PVC和SAN兩種泡沫同厚度的可以相互替代使用；PET和PS兩種熱塑性泡沫的密度相差較大，PET泡沫的密度最大，且較前三種熱固性泡沫的密度大，無(wú)論應(yīng)用在殼體還是剪切腹板中，對(duì)風(fēng)電葉片最終重量的影響較明顯，因此有較少的制造商選用PET泡沫，但PET泡沫具有較好的耐熱性，對(duì)于預(yù)浸料成型葉片的夾層結(jié)構(gòu)，PET泡沫是首選，PS泡沫的密度最小，一般被應(yīng)用在剪切腹板上。

風(fēng)電葉片中環(huán)氧型葉片居多，其次是不飽和聚酯型葉片，輕木和泡沫均可與環(huán)氧樹(shù)脂同時(shí)使用，且結(jié)合性較好，對(duì)于不飽和聚酯樹(shù)脂，PS泡沫不能與其同時(shí)使用，因?yàn)榫埘?shù)脂中含有苯，會(huì)將PS泡沫溶化，其它種類(lèi)泡沫可以與聚酯樹(shù)脂同時(shí)使用。

夾芯材料的其它物理性能（剝離能、壓縮強(qiáng)度/模量、剪切強(qiáng)度/模量、樹(shù)脂吸膠量等）需要針對(duì)不同廠家的不同夾芯材料進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，判斷是否達(dá)到材料本身的性能參數(shù)，是否滿足風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)參數(shù)。

夾芯材料的工藝可操作性

除了考慮夾芯材料的物理性能外，還需考慮夾芯材料的加工和在風(fēng)電葉片中使用的工藝可操作性。夾芯材料一般經(jīng)過(guò)平板→輪廓板→套材的過(guò)程后用于葉片的制造，整個(gè)過(guò)程中大部分采用機(jī)械加工工藝，如鋸切、刀模沖切、鉆孔、打磨、倒角等，輕木和泡沫的耐熱性均較好。這些機(jī)械加工對(duì)其自身性能并無(wú)影響，夾芯材料的套材投入使用后，可能會(huì)通過(guò)人工對(duì)夾芯材料的尺寸修正或修補(bǔ)，密度最大的輕木相對(duì)于泡沫不易操作。

夾芯材料的輪廓板加工成套材的過(guò)程中，部分分化塊會(huì)從底面纖維布上掉落下來(lái)，影響套材的整體性和夾芯材料鋪設(shè)速度，已有廠家調(diào)整了加工工藝（平板→套材→輪廓板），即將平板芯材先經(jīng)過(guò)鋸切、倒角工序后再加工成輪廓板，這樣使芯材套材的整體性強(qiáng)，鋪設(shè)容易。

夾芯材料的樹(shù)脂吸膠量

應(yīng)用在殼體和剪切腹板中的夾芯材料，為了滿足樹(shù)脂灌注要求，并與模具異型貼合完好，需要對(duì)平板夾芯材料進(jìn)行后處理，后處理方式有開(kāi)槽和打孔。槽寬、槽深、孔徑、分化塊大小均因不同風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)要求而不同，制件灌入樹(shù)脂后使槽道和孔道內(nèi)完全填入樹(shù)脂，樹(shù)脂密度約為1200kg/ m3，芯材密度約為60kg/m3（以PVC H60計(jì)算），相差20倍，這對(duì)葉片重量影響很大。可見(jiàn)，夾芯材料的樹(shù)脂吸膠量不僅僅是平板表面的吸膠量，還包含夾芯材料槽道、孔道內(nèi)的儲(chǔ)膠量。

夾芯材料的后處理方式見(jiàn)圖1和圖2。圖1為平板打孔方式，圖2為分化塊開(kāi)槽方式，包括深槽和淺槽兩種，也可以是開(kāi)槽和打孔兩種方式的結(jié)合。

由于夾芯材料的槽道和孔道一般均為規(guī)則形狀，便于儲(chǔ)膠量的理論計(jì)算，計(jì)算方法如下：

其中：m1—單位面積夾芯材料槽（孔）道儲(chǔ)膠量，kg；

V1—深槽內(nèi)樹(shù)脂體積，m3；

V2—孔內(nèi)樹(shù)脂體積，m3；

V3—淺槽內(nèi)樹(shù)脂體積，m3；

ρ—樹(shù)脂密度，kg/m3。

其中：a—分化塊的長(zhǎng)度，m；

b—分化塊的寬度，m；

d—槽寬，m；

H—夾芯材料的厚度，m；

h—深槽距底面距離，m。

其中：r—孔半徑，m；

D—孔間距，m。

其中：e—淺槽的寬度，m；

選取2017年2月~2018年2月我院接收的88例秋季腹瀉患兒,將其隨機(jī)分為觀察組與對(duì)照組,各組44例,觀察組男23例,女21例,年齡7個(gè)月~5.6歲,平均年齡為(2.86±0.43)歲;對(duì)照組男24例,女20例,年齡6個(gè)月~5.5歲,平均年齡為(2.89±0.46)歲。所有患兒及其家長(zhǎng)均自愿簽訂知情同意書(shū)。兩組患兒年齡、性別等一般資料比較(P>0.05)。

c—淺槽的深度，m；

n—淺槽類(lèi)型：“十”字淺槽時(shí)，n=1；“井”字淺槽時(shí)，n=2。

將公式（2）、（3）、（4）代入公式（1）中，得到：

夾芯材料的樹(shù)脂吸膠量是平板的吸膠量和槽（孔）道儲(chǔ)膠量之和，即：

M—單位面積夾芯材料的樹(shù)脂吸膠量，kg；

m2—單位面積夾芯材料平板的樹(shù)脂吸膠量，kg。

將公式（5）代入公式（6），得到：

PVC、SAN、PMI、PET、PS五種泡沫均為閉孔型泡沫，泡沫經(jīng)過(guò)后處理后，表層的泡孔被破壞產(chǎn)生開(kāi)孔，將會(huì)使樹(shù)脂進(jìn)入泡孔內(nèi)來(lái)達(dá)到與玻璃鋼的有效結(jié)合，不同種類(lèi)泡沫的孔徑不同，樹(shù)脂的吸入量隨之不同。該樹(shù)脂吸入量即為泡沫平板的吸膠量，需通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得到，計(jì)算泡沫的樹(shù)脂吸膠量時(shí)，還需要考慮槽道壁和孔道壁的泡孔也被破壞，同樣有樹(shù)脂的吸入。

輕木經(jīng)過(guò)縱切后，表面有木材細(xì)胞開(kāi)口，形成毛細(xì)管，真空灌注時(shí)，由于毛細(xì)管作用，樹(shù)脂將會(huì)進(jìn)入板材，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)入有助于提高剝離強(qiáng)度，過(guò)多的進(jìn)入將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品重量的增加，可見(jiàn)輕木表面封孔的必要性，但實(shí)際封孔與未封孔輕木平板的單位面積樹(shù)脂吸膠量相差不大，隨使用面積的增加樹(shù)脂吸膠量相差將會(huì)增大。對(duì)于非閉孔型輕木的樹(shù)脂吸膠量計(jì)算，后處理方式對(duì)其無(wú)影響，對(duì)于閉孔型輕木的樹(shù)脂吸膠量計(jì)算，需要考慮開(kāi)槽區(qū)域的閉孔失效，可以按照非閉孔型輕木的樹(shù)脂吸膠量計(jì)算。由于輕木屬于自然生長(zhǎng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不規(guī)則，導(dǎo)致輕木的理論樹(shù)脂吸膠量計(jì)算將會(huì)存在一定偏差。另外，輕木的縱向方向類(lèi)似于纖維狀，與玻璃鋼成垂直狀態(tài)，鋪設(shè)過(guò)程中要保證所有區(qū)域輕木方向的一致性，以免影響輕木的樹(shù)脂吸膠量計(jì)算，甚至影響產(chǎn)品質(zhì)量。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)夾芯材料選取中的葉片設(shè)計(jì)、工藝驗(yàn)證，芯材使用情況的分析得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）PS泡沫一般只被應(yīng)用在剪切腹板上，其它種類(lèi)泡沫和輕木均可應(yīng)用在剪切腹板和殼體上，PVC和SAN兩種泡沫同厚度的可以相互替代使用，對(duì)于預(yù)浸料成型葉片的夾層結(jié)構(gòu)PET泡沫是首選。

（2）PS泡沫不可以與不飽和聚酯樹(shù)脂同時(shí)使用，其它種類(lèi)泡沫和輕木均可與聚酯樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂同時(shí)使用。

（3）輕木和泡沫的機(jī)械加工工藝操作性較好，但輕木的手工加工工藝相對(duì)于泡沫較差一些。

（4）為了使芯材套材的整體性強(qiáng)，鋪設(shè)容易，可以將夾芯材料的加工過(guò)程由平板→輪廓板→套材調(diào)整為平板→套材→輪廓板。

（5）夾芯材料的樹(shù)脂吸膠量包括平板表面的吸膠量和芯材槽道、孔道內(nèi)的儲(chǔ)膠量，理論樹(shù)脂吸膠量計(jì)算時(shí)，要考慮后處理方式是否對(duì)其有影響。

（6）輕木鋪設(shè)過(guò)程中保證所有區(qū)域輕木方向的一致性。隨著風(fēng)電葉片長(zhǎng)度的不斷加長(zhǎng)，對(duì)各種材料的性能要求也越來(lái)越高，未來(lái)的風(fēng)電葉片傾向于碳纖維或預(yù)浸料結(jié)構(gòu)，這將要求夾芯材料具有較高的耐熱性。另外，廢棄葉片的處理一直都未得到完善解決，因此未來(lái)的夾芯材料傾向于熱塑性芯材，并將逐漸替代熱固性芯材。

（作者單位：中航惠騰風(fēng)電設(shè)備股份有限公司）