風(fēng)力發(fā)電葉片腹板模具制造研究

陳祥發(fā)

摘要：葉片生產(chǎn)過(guò)程中，腹板是制備風(fēng)力發(fā)電機(jī)組復(fù)合材料風(fēng)輪葉片的主要部件。腹板是采用膠粘劑直接粘接于葉片殼體上，腹板粘接面由主粘面和輔粘面組成，主粘接面采用腹板模具法蘭邊制作，輔粘接面的制作有多種方法，目前多采用直接膠粘劑粘接于腹板上或采用擋板手糊制作，其粘接位置及粘接角度的準(zhǔn)確性難以保證，且在環(huán)境的影響下，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電葉片、腹板、陽(yáng)模腹板模具、陰模腹板模具、工字腹板模具

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）06-0142-02

1研究背景

風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越得到人們的重視，已經(jīng)成為能源領(lǐng)域最具商業(yè)推廣前景的項(xiàng)目之一^[1]，目前在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速。風(fēng)能的收集與利用主要是通過(guò)利用風(fēng)能獲取電力，即通過(guò)風(fēng)力發(fā)電裝置（風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成）中的葉片接收風(fēng)能并通過(guò)機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能。

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部件中重要的組成部分。葉片殼體，主要作用是提供空氣動(dòng)力學(xué)外形，夾芯材結(jié)構(gòu)由玻璃鋼鋼表層中間加泡沫或輕木構(gòu)成，具備足夠的剛性承擔(dān)彎曲載荷，主梁主要為單向復(fù)合材料增強(qiáng)，是葉片的主要承載結(jié)構(gòu)，腹部為夾芯結(jié)構(gòu)，對(duì)主梁起到支撐作用，并在整個(gè)葉片起到抗剪切的作用。

隨著風(fēng)電機(jī)組不斷朝大型化方向發(fā)展，風(fēng)電葉片尺寸的逐漸增大，對(duì)腹板產(chǎn)品的尺寸及工藝要求越來(lái)越高，相應(yīng)的腹板模具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可操作性能、快速制作、方便組裝拆卸特點(diǎn)正在承受考驗(yàn)。目前，腹板模具主要有陽(yáng)模腹板模具、陰模具腹板模具、工字腹板模具。

2腹板結(jié)構(gòu)形式

目前葉片生產(chǎn)過(guò)程中，腹板是制備風(fēng)力發(fā)電機(jī)組復(fù)合材料風(fēng)輪葉片的主要部件。腹板結(jié)構(gòu)主要為夾芯材的三明治結(jié)構(gòu)，即內(nèi)外表面均為玻璃鋼復(fù)合材料，中間包裹泡沫或者輕木。通過(guò)膠粘劑將腹板直接粘接于葉片殼體內(nèi)腔上。腹板粘接主要依賴(lài)于腹板的粘貼角形成粘接面。粘接面的形式和質(zhì)量對(duì)于腹板的粘接性能有著重大的影響。腹板粘接面由主粘面和輔粘面組成，主粘貼角采用腹板模具法蘭邊制作，輔粘貼角采用手糊預(yù)浸或者擋邊制作。葉片腹板粘接角形狀不同，造成腹板應(yīng)力分布也不同，特別是對(duì)于薄弱部位還可能因?yàn)閼?yīng)力疊加引發(fā)葉片破壞。

3陽(yáng)模腹板模具

陽(yáng)模腹板作為最早制作腹板產(chǎn)品的模具，采用的均為玻璃鋼層作為模具的表面層、鋼結(jié)構(gòu)作為支撐^[2]。陽(yáng)模腹板模具的制作工藝過(guò)程較為復(fù)雜，先利用木方或者代木加工制作簡(jiǎn)易的母模，然后利用母模進(jìn)行翻制模具。因此對(duì)玻璃鋼層的灌注質(zhì)量都有很高的要求，不能出現(xiàn)漏氣、白斑等灌注質(zhì)量缺陷。陽(yáng)模腹板具有脫模方便，但對(duì)于粘貼角角度小于90°的腹板產(chǎn)品無(wú)法滿(mǎn)足脫模。玻璃鋼層的表面維護(hù)較為麻煩成本較高。使用過(guò)程中玻璃鋼表面因使用不當(dāng)，極易導(dǎo)致表層破壞，從而影響真空氣密性影響產(chǎn)品質(zhì)量，加上玻璃鋼產(chǎn)品自身的材料特性決定了其制作的模具產(chǎn)品也會(huì)逐步老化而影響使用。目前已逐步淘汰。

4陰模腹板模具

陰模腹板模具主要有兩種方式，一種為主體玻璃鋼材質(zhì)的，一種為鐵質(zhì)的。玻璃鋼陰模具腹板模具因制作需要重新開(kāi)發(fā)母模，成本較高，在行業(yè)使用率較低，鐵質(zhì)陰模腹板模具因采用普通的Q235鋼材作為面板，原材料來(lái)源方便，施工方便，廢物重復(fù)利用率高，目前得到了廣泛的推廣。陰模模具主要由三部分組成：（1）鋼架平臺(tái)：用于支撐整個(gè)腹板模具重量，通常采用支撐鋼結(jié)構(gòu)做成;（2）面板：面板底部用于模具加熱系統(tǒng)及連接抽氣管道，面板表面平整光滑，用于腹板產(chǎn)品的制作，對(duì)于面板的表面質(zhì)量要求高;（3）擋邊：用于腹板粘接角的制作，根據(jù)腹板的產(chǎn)品輪廓焊接在面板上，從而形成腹板粘貼角。腹板模具的面板與擋邊制作加工主要采用線(xiàn)切割工藝切割完成，由數(shù)控機(jī)床完成對(duì)面板、擋邊的精準(zhǔn)切割，并在面板上刻畫(huà)出腹板擋邊尺寸線(xiàn)、米標(biāo)線(xiàn)、標(biāo)識(shí)線(xiàn);將面板在水平面上對(duì)接完成后即開(kāi)始焊接鋼架，面板與面板直接的焊接質(zhì)量尤為重要，不能產(chǎn)生漏焊、凸起，以免導(dǎo)致面板的氣密性不合格、表面平面度不合格等一系列問(wèn)題。后續(xù)完成加熱銅管與保溫層的鋪設(shè)。鋼架整體焊接結(jié)束后將模具翻身擺正，分段運(yùn)輸?shù)杰?chē)間后調(diào)平對(duì)接，焊接擋邊，從而完成腹板模具的制造過(guò)程。

陰模腹板模具的使用，使得制作出的腹板產(chǎn)品精確度優(yōu)于復(fù)合材料模具制造的產(chǎn)品。目前鐵質(zhì)陰模腹板模具已經(jīng)成為風(fēng)電葉片腹板制造的主流模具，相應(yīng)的腹板模具也具備了以下基本特點(diǎn)：

1）表面光滑、平面度好：為滿(mǎn)足腹板產(chǎn)品表面優(yōu)良、光滑，腹板模具表面需無(wú)裂紋、孔洞、凸起等缺陷，平面度平整公差達(dá)到+2mm以?xún)?nèi);

2）真空氣密性良好：因腹板制作采用真空灌注成型工藝，對(duì)腹板模具的氣密性要求較高，模具面板因采用普通的Q235鋼材作為面板，氣密性得到了極大的保障。合格的腹板模具空模狀態(tài)下要求60min內(nèi)真空壓降小于20mbar;

3）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、尺寸精度高：鋼材的熱變形系數(shù)比玻璃鋼要低很多，在加熱過(guò)程中的熱變形會(huì)很小，能有效的保證產(chǎn)品的尺寸。腹板模具尺寸可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度方向總偏差小于10mm;

4）表面加熱均勻、導(dǎo)熱快：鐵質(zhì)材料可實(shí)現(xiàn)溫度傳導(dǎo)較快、加熱可靠的要求，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)每平米溫差小于3℃;

5）表面強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)：鐵質(zhì)模具表面具有玻璃鋼模具所不具備的高強(qiáng)度、耐磨損、不易變形的特點(diǎn)，可長(zhǎng)時(shí)間使用。表面維護(hù)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。

6）安裝方便、運(yùn)輸便利：腹板模具可切割分段運(yùn)輸，且在運(yùn)輸過(guò)程中可多段堆疊存放，接縫處焊接快速，氣密性檢查方便。

7）高度調(diào)節(jié)方便：腹板模具的焊接擋邊可實(shí)現(xiàn)對(duì)腹板高度的快速、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足葉片合模時(shí)對(duì)腹板間隙的高精度需求。

腹板模具制作過(guò)程中需要注意的幾個(gè)問(wèn)題

鐵質(zhì)腹板模具有高度調(diào)節(jié)方便、耐用周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，在制作過(guò)程中還需要注意以下問(wèn)題：

1）面板平面度調(diào)節(jié)。因面板通常是分段加工運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后完成對(duì)接，在對(duì)接過(guò)程中就需要準(zhǔn)確把握好段與段之間的整體平面度;通常做法是在地面上鋪設(shè)水平導(dǎo)軌，將面板平放整齊后再次對(duì)面板平面度校準(zhǔn)調(diào)節(jié)，焊接結(jié)束后對(duì)整體面板的平面度復(fù)核，對(duì)不滿(mǎn)足平面度標(biāo)準(zhǔn)的地方進(jìn)行調(diào)節(jié)。在源頭處控制好平面度才可以在模具驗(yàn)收時(shí)實(shí)現(xiàn)平面度公差小于2mm的要求。

2）面板表面處理。鐵質(zhì)面板在模具投產(chǎn)前易出現(xiàn)表面生銹情況，因此要在面板表面進(jìn)行打磨除銹處理，除去表面生銹層后使用封孔劑與脫模劑對(duì)表面進(jìn)行防銹保護(hù)。

3）擋邊焊接。鐵擋邊焊接過(guò)程中通常在內(nèi)側(cè)間隔半米一個(gè)焊點(diǎn)、外側(cè)間隔20cm一個(gè)焊點(diǎn)，焊點(diǎn)需要打磨成扁平圓弧狀，以免腹板產(chǎn)品表面出現(xiàn)凹坑等缺陷。

4）無(wú)法滿(mǎn)足輔助粘貼角的一體灌注，目前依然采用的手糊制作。

5工字腹板模具

作為目前新型的腹板模具形式，相比于傳統(tǒng)的陽(yáng)模和陰模腹板模具，結(jié)合了兩種形式的優(yōu)點(diǎn)，將兩者的結(jié)構(gòu)形式有機(jī)的融合在一起。能有效的解決腹板粘接角的一體式灌注，從而使腹板粘接面（粘接角）平順過(guò)度，利于腹板產(chǎn)品的固化、膠粘劑的均勻刮涂，從而減少由腹板間隙超差帶來(lái)的腹板粘接缺陷，從而得到更高質(zhì)量的腹板產(chǎn)品。

通過(guò)與傳統(tǒng)的腹板模具制備的產(chǎn)品（C型腹板）和工字腹板（T型腹板）^[3]制備的產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析建模計(jì)算。

分別對(duì)兩者進(jìn)行應(yīng)力加載，其中垂直于粘接面的軸向力定義為剝離力，垂直于腹板的應(yīng)力定義為彎曲力。

計(jì)算結(jié)果如下：

垂直粘接面加載，C型腹板在拐角位置應(yīng)力最大，新型T腹板應(yīng)力相對(duì)較小。C型腹板的應(yīng)力集中在腹板的拐角處，T型腹板的應(yīng)力集中在腹板中間

彎曲力加載C型腹板在拐角位置應(yīng)力最大，新型T腹板應(yīng)力相對(duì)較小;C型腹板的應(yīng)力集中在腹板的拐角處，T型腹板的應(yīng)力集中在腹板中間;如果斷裂發(fā)生在粘接面，因?yàn)門(mén)型筋板兩側(cè)都有粘接，斷裂延伸較慢。

通過(guò)計(jì)算可得知：

由于剪腹板材料的彈性模量不同和不規(guī)則的幾何形狀，應(yīng)力在粘接面中分布不均勻。在腹板邊緣附近存在應(yīng)力峰值。

C型腹板的應(yīng)力集中存在于粘貼角邊緣，而T型腹板粘貼角邊緣處存在較小的應(yīng)力集中。

從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方面來(lái)看，T型腹板是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。在相同粘貼寬度的情況下，兩種T型腹板比C型腹板有更好的性能。在T型腹板粘貼角的邊緣處存在微小的應(yīng)力。

對(duì)于垂直于粘接面方向上的最大軸向應(yīng)力而言，C型腹板剝離應(yīng)力是T型腹板的4.3倍，彎曲應(yīng)力是6.9倍。

6結(jié)語(yǔ)

大力發(fā)展風(fēng)電能源具有重大的戰(zhàn)略意義，提高葉片的產(chǎn)品質(zhì)量是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。制備高質(zhì)量的葉片腹板離不開(kāi)高質(zhì)量的腹板模具，目前通過(guò)工字腹板模具能得到質(zhì)量更好的腹板產(chǎn)品，依然無(wú)法完全解決在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的小問(wèn)題，諸如腹板模具高度的快速調(diào)整、腹板模具對(duì)接焊縫的快速處理。需要全體風(fēng)電的技術(shù)人員不斷的攻克技術(shù)難關(guān)。

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