風電葉片表面打磨機結構設計與輕量化研究

樂韻斐，宋來根

（同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

風電葉片表面打磨機結構設計與輕量化研究

樂韻斐，宋來根

（同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

為了對葉片表面打磨以進行后期處理，根據(jù)某一型號葉片設計了風電葉片表面打磨機。基于打磨機自身重力和打磨過程中的工作負載情況，利用SolidWorks和ANSYS對打磨機進行強度分析、剛度分析和優(yōu)化設計。通過靈敏度分析法和響應曲面分析法，在保證打磨機剛度的情況下，其質量可降低510 kg.結果表明：靈敏度分析法和響應曲面法是研究輕量化的有效途徑。

打磨機；強度分析；剛度分析；靈敏度分析；響應曲面分析；輕量化

隨著環(huán)境污染和能源短缺等現(xiàn)象對社會可持續(xù)發(fā)展威脅的日益嚴重，風能作為一種可再生的綠色能源，它的應用和發(fā)展越來越表現(xiàn)出重要的意義[1-2]。

葉片是風電發(fā)電設備最關鍵的部件[3]，隨著風力發(fā)電機組容量的增加，葉片長度也在不斷增大，丹麥工廠生產(chǎn)的最長風電葉片長度已經(jīng)超過80 m[4]，我國艾朗生產(chǎn)的風電葉片長度已達到75 m.

對風電葉片表面進行打磨是葉片生產(chǎn)過程中極為重要的一個環(huán)節(jié)，提高風電葉片表面打磨速度和質量，有助于提高風電葉片整個加工工序的效率。

1 風電葉片表面打磨機方案比較

本文以68.8 m長的風電葉片為研究對象，其外形是大型自由曲面，葉根端面為圓形，葉腹截面及葉尖截面為不規(guī)則形狀。葉片在40 m處有明顯的預彎，如圖1所示。

圖1 風電葉片（68.8 m）三維模型

當前國內大多數(shù)葉片生產(chǎn)廠家通過人工方法對葉片表面進行打磨，該方法打磨完成一個葉片需要8人同時工作8 h，效率極為低下且打磨粉塵對人體傷害極大。國內少數(shù)葉片生產(chǎn)廠家及部分國外廠家使用智能機器人對葉片進行打磨[5]，該方法有效地避免了粉塵對人體的傷害，但是打磨時間長，價格昂貴且維修不方便。

本文以自行設計的風電葉片表面打磨機對大型風電葉片表面進行打磨。它具有兩個定梁龍門，其中一個配置六個打磨伸縮臂結構，另一個配置四個打磨伸縮臂結構加一對銑削伸縮臂結構，有效地提高了打磨效率，圖2為打磨機總裝方案示意圖。

圖2 打磨機總裝方案

2 打磨機結構特點和載荷分析

2.1 打磨機結構特點

以風電葉片表面打磨機的打磨機1號為研究對象，其主體結構分為兩個立柱，立柱內焊接有加強肋板提高立柱剛度，每個立柱的前后兩側分別配有一個沿X方向運動的打磨伸縮臂，由沿Y方向運動的滑枕帶動。一根固定在兩側立柱上的橫梁，橫梁內焊接米字肋板，橫梁上配有兩個沿Y向運動的打磨伸縮臂，由沿X方向運動的滑枕帶動。

2.2 打磨機載荷分析

該打磨機立柱的受力為立柱上Y向運動的滑枕和X向打磨伸縮臂的重力和打磨時的磨削力。此外，滑枕帶動打磨伸縮臂沿立柱上下運動時，立柱將產(chǎn)生不穩(wěn)定變形；橫梁的受力形式為兩點簡支梁支承式，造成橫梁變形的主要原因是橫梁、橫梁上構件的重力和打磨時的磨削力。除了橫梁本身重量造成穩(wěn)定變形以外，考慮橫梁上的滑枕和打磨伸縮臂等移動部件從一端移動到中部時，也會引起橫梁不穩(wěn)定的彎曲變形。打磨伸縮臂呈懸臂結構，其重力會引起橫梁產(chǎn)生扭轉變形。根據(jù)機床打磨機的受力結構和工作要求，分析得出極限工作載荷?，F(xiàn)將打磨機上的滑枕、打磨伸縮臂、磨頭組件和工作時的磨削力簡化并等效到立柱和橫梁上，如圖3所示，其中F1y、F2y、F3y、F4y分別為立柱上四個滑枕及其上打磨伸縮臂、磨頭組件的重力；F5y、F6y分別為橫梁上兩個滑枕及其上打磨伸縮臂、磨頭組件的重力和工作時磨削力的合力；F1y、F2y、F3y、F4y分別為立柱上四個打磨伸縮臂工作時磨削力的大小；M1z、M2z、M3z、M4z分別是立柱上四個滑枕、打磨伸縮臂和磨頭組件的重力對z軸的力矩；M1z、M2z、M3z、M4z、M5z、M6z分別是六個滑枕、打磨伸縮臂和磨頭組件的重力對x軸的力矩。其數(shù)值如表1和表2所示[6]。

圖3 打磨機受力分析簡化模型

表1 打磨機承受的等效集中力（N）

表2 打磨機承受的等效集中力矩（Nm）

3 打磨機有限元模型與強度剛度分析

為了減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短所需計算時間，對打磨機三維模型進行幾何清理，去除幾何中小孔、倒角和溝槽等對結構影響很小的特征，得到簡化的打磨機幾何模型如圖4所示。

圖4 簡化幾何模型

考慮到打磨機整體尺寸，選取單元尺寸為40 mm對打磨機幾何模型劃分網(wǎng)格得到有限元模型，節(jié)點數(shù)為1 180 935，單元數(shù)為265 034，如圖5所示。

圖5 有限元模型

根據(jù)打磨機工作狀態(tài)，對兩立柱底部施加固定約束，按表1，表2施加力和力矩，考慮到橫梁自重的影響，施加沿Y軸負方向的重力加速度為9.8 m/s2.如圖6所示。

圖6 約束模型

進入ANSYS Workbench求解模塊進行分析計算，結束后查看變形和應力結果，最大總變形為0.07 mm，X、Y、Z三個方向上的變形分別為0.027 mm，0.000 4 mm，0.04 mm.忽略應力集中，最大應力為6 MPa.如圖7~11所示。

圖7 總變形云圖

圖8 X向變形云圖

圖9 Y向變形云圖

圖10 Z向變形云圖

圖11 等效應力云圖

4 輕量化設計

若一個響應函數(shù)f，可以由一個或一個以上的輸入變量（x1，x2，…，xn）來表示，那么，f對于輸入變量的偏導數(shù)，就是輸入變量對響應函數(shù)的靈敏度。表示為：S=，其中，i=1，2，3…n.S代表靈敏度[7-8]。靈敏度分析可以確定輸入變量對響應函數(shù)的影響程度的大小，提高優(yōu)化設計的效率。

打磨機的結構組成主要是立柱的前后壁板、側壁板、筋板，橫梁的前后壁板、側壁板、筋板。它們的厚度尺寸分別用P2、P1、P3、P5、P4、P6表示，其初始值分別為20 mm、20 mm、15 mm、20 mm、20 mm、15 mm.各個板如圖12所示。

圖12 打磨機尺寸

改變各板面的厚度尺寸，在ANSYS中做受力分析，得到各個尺寸對響應函數(shù)的靈敏度，如圖13所示。由圖可以看出，P1、P2對打磨機質量影響最大。

圖13 參數(shù)靈敏度分析

同理，得到各個尺寸對響應函數(shù)的響應曲面，如圖14~16所示。

圖14 P1、P2對質量的響應曲面

圖15 P3、P4對質量的響應曲面

圖16 P5、P6對質量的響應曲面

通過對參數(shù)靈敏度分析和響應曲面的有機結合，可以方便、快捷地選擇最優(yōu)設計變量。在ANSYS中列出優(yōu)化方程：

Min Geometry Mass

優(yōu)化結果：

Geometry Mass（kg）

優(yōu)化前23 953

優(yōu)化后23 443

由優(yōu)化結果得：通過改變打磨機各個板面的厚度尺寸，可以在保證剛度的基礎上降低質量，對打磨機結構設計具有指導意義。

5 結束語

通過比較不同打磨方案的優(yōu)缺點，介紹了雙龍門式數(shù)控打磨機結構方案。根據(jù)打磨機在工作過程中的負載情況，分析其強度和剛度。由靈敏度分析和響應曲面分析，得出打磨機前后壁板和側壁板的厚度尺寸是對打磨機質量影響最大的尺寸，可將其作為優(yōu)化時變化范圍最大的參數(shù)。在保證剛度不降低的前提下，打磨機質量降低了510 kg.優(yōu)化參數(shù)靈敏度的大小，對打磨機設計有很大的參考價值。

[1]朱瑛，程明，花為，等.考慮損耗轉矩的風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能跟蹤控制[J].中國機電工程學報，2013，33（19）：39-40.

[2]Zhe CHEN.A Review of Power Electronics for Wind Power [J].Power Electronics，2011，45（8）：11-12.

[3]廖高華，烏建中，張磊安.風機葉片靜力加載節(jié)點優(yōu)化及試驗研究[J].機械科學與技術，2016，35（1）：18-20.

[4]時辰.風電葉片磨削加工中磨削力及表面成形過程研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2014.

[5]卜遲武.風電葉片打磨機器人的控制研究[D].黑龍江：哈爾濱工程大學，2012.

[6]趙小樂.葉片砂帶磨削機床研發(fā)[D].長春：吉林大學，2011.

[7]魏鵬飛.結構系統(tǒng)可靠性及靈敏度分析研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2014.

[8]郭壘，張輝，葉佩青，等.基于靈敏度分析的機床輕量化設計[J].清華大學學報（自然科學版），2011，51（6）：846-850.

Structural Design and Lightweight Research of Grinding Machine for Wind Turbine Rotor Blade Surface

LE Yun-fei，SONG Lai-gen
（School of Mechanical and Energy Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

In order to polish the surface of the wind turbine rotor blade，a grinding machine is designed according to a certain type of blade.Based on the self gravity of the grinding machine and working load during grinding process，do strength analysis，stiffness analysis and optimization design by using Solidworks and ANSYS.By means of sensitivity analysis and response surface analysis，the stiffness can be maintained while reducing the mass of machine by 510kg.The result shows that the sensitivity analysis method and the response surface method are the effective ways to do lightweight research.

grinding machine；strength analysis；stiffness analysis；sensitivity analysis；response surface analysis；lightweight

TK83

：A

：1672-545X（2017）01-0029-04

2016-10-12

樂韻斐（1964-），女，上海人，副教授，碩士生導師，研究方向：機械設計，機電液控制技術。