兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)關(guān)鍵工序智能化制造技術(shù)研究

陳波，黃西龍，竇玉祥，史偉，王璐

（國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)（連云港）有限公司，江蘇連云港 222069）

0 引言

隨著我國(guó)提出2030年風(fēng)電太陽能裝機(jī)達(dá)到12 億kW以上目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)2030年“碳達(dá)峰”和2060年“碳中和”的路線圖日漸清晰。作為實(shí)現(xiàn)“碳中和”的重要抓手，已平價(jià)上網(wǎng)的風(fēng)電、太陽能等新能源被賦予更重大的歷史使命[1]。本文從雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)入手，分析實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制點(diǎn)，提出關(guān)鍵環(huán)節(jié)智能化生產(chǎn)的方案，并就如何創(chuàng)建風(fēng)機(jī)智能化工廠工作要點(diǎn)進(jìn)行了分析和研究。

1 風(fēng)機(jī)智能化生產(chǎn)研究現(xiàn)狀

目前我國(guó)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)歷了技術(shù)引進(jìn)、聯(lián)合設(shè)計(jì)、自主研發(fā)三個(gè)階段，風(fēng)電產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展迅猛，但是作為智能制造主線的智能生產(chǎn)環(huán)節(jié)相對(duì)滯后。風(fēng)機(jī)生產(chǎn)制造過程中主要存在以下難點(diǎn)：1）制造過程智能化水平低。國(guó)內(nèi)主要風(fēng)電設(shè)備制造商在制造裝配領(lǐng)域基本停留在依靠人工為主的生產(chǎn)方式，需要大量人員到現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)備和監(jiān)督制造過程。2）質(zhì)量管控難度大。風(fēng)機(jī)零部件大多為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量沉重的物件，人工安裝很容易造成零部件表面損傷、重復(fù)返工，生產(chǎn)不確定因素較多，質(zhì)量過程控制難度大。3）安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)大。風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵零部件部件質(zhì)量大，無法進(jìn)行人工運(yùn)輸、翻轉(zhuǎn)及裝配，需要借助行車等工具進(jìn)行吊裝作業(yè)，并存在高空作業(yè)危險(xiǎn)因素，安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)大。4）生產(chǎn)過程信息追溯性效率低。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝配與制造過程中的人員情況、關(guān)鍵設(shè)備、生產(chǎn)計(jì)劃、物資情況、關(guān)鍵工序等信息無法實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，無法實(shí)現(xiàn)裝配與制造數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，生產(chǎn)過程裝配信息追溯性效率低。

2 風(fēng)機(jī)生產(chǎn)關(guān)鍵工序裝配技術(shù)

本文將目前行業(yè)主流的雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究風(fēng)機(jī)整機(jī)生產(chǎn)裝配過程中關(guān)鍵工序智能化裝配技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈智能化裝配平臺(tái)技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)大部分是通過人工操作行車吊著傳動(dòng)軸向齒輪箱內(nèi)孔對(duì)接。傳動(dòng)軸與齒輪箱內(nèi)孔的公差配合一般設(shè)計(jì)為0.05～0.15 mm，傳動(dòng)軸質(zhì)量一般為8 t左右，齒輪箱質(zhì)量一般為22 t左右，對(duì)于這么大物體的對(duì)中操作非常困難，極易造成物體撞擊、高處墜落等安全事故[2]。

該技術(shù)首先要考慮傳動(dòng)軸與齒輪箱在裝配過程中各個(gè)方向的自由度問題，通常需保證有5個(gè)自由度，采用高精度傳感器和模塊化控制器，將裝配過程的位置數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)；同時(shí)應(yīng)采用柔性裝配，保障傳動(dòng)軸與齒輪箱裝配過程的平穩(wěn)性，平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)需要通過ANSYS 和OPTISTRUCT 等軟件校核，以保障設(shè)備穩(wěn)定。平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳動(dòng)鏈裝配平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.2 風(fēng)機(jī)偏航變槳軸承螺栓鎖緊裝配平臺(tái)技術(shù)

風(fēng)機(jī)偏航和變槳系統(tǒng)是現(xiàn)代智能化風(fēng)機(jī)的核心，偏航軸承和變槳軸承螺栓的鎖緊質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，傳統(tǒng)的鎖緊方式采用手動(dòng)力矩扳手，耗時(shí)費(fèi)力，質(zhì)量和操作安全性很難得到保障。隨著行業(yè)自動(dòng)化水平的提高，對(duì)于偏航和變槳軸承螺栓鎖緊自動(dòng)化裝配精度的要求也隨之提高[3]。

該技術(shù)以工業(yè)機(jī)器人為主體，配合精確引導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)裝配體進(jìn)行位置識(shí)別，然后安裝設(shè)定的擰緊順序協(xié)同完成裝配體的螺母擰緊。采用多把轉(zhuǎn)矩扳手同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)效率得到極大提升，且由于均布鎖緊，保證了螺栓鎖緊的工藝技術(shù)要求，提升螺栓鎖緊質(zhì)量，“人機(jī)分離”工作模式，保障了操作人員的安全。風(fēng)機(jī)偏航變槳軸承鎖緊平臺(tái)工作示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 風(fēng)機(jī)變槳軸承螺栓鎖緊平臺(tái)示意圖

圖3 風(fēng)機(jī)偏航軸承螺栓鎖緊平臺(tái)示意圖

2.3 風(fēng)機(jī)主軸軸承熱裝技術(shù)

目前絕大部分風(fēng)電整機(jī)制造廠家選擇感應(yīng)加熱方式進(jìn)行軸承與主軸裝配，隨著主軸軸承尺寸增大，感應(yīng)加熱軸承時(shí)內(nèi)外圈會(huì)產(chǎn)生較大溫差且難以消除，會(huì)對(duì)軸承的服役性能產(chǎn)生影響。

本技術(shù)針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)難題，提出研發(fā)一套風(fēng)機(jī)主軸軸承恒溫自動(dòng)加熱系統(tǒng)。與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)主軸軸承裝配方法相比，該自動(dòng)恒溫加熱系統(tǒng)具有控溫精度高、軸承內(nèi)外圈溫差小、自動(dòng)化程度高、節(jié)能、安全及工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等一系列優(yōu)點(diǎn)[4]。風(fēng)機(jī)主軸軸承熱裝裝置工作示意圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)主軸軸承熱裝裝置工作示意圖

3 風(fēng)機(jī)智能化工廠建設(shè)要點(diǎn)分析與研究

現(xiàn)階段，全世界約67%的工業(yè)制造企業(yè)及約62%的航空、軍工企業(yè)已經(jīng)或計(jì)劃推廣智能工廠，智能制造工程是國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的主攻方向，也是包含風(fēng)電設(shè)備在內(nèi)的機(jī)械制造行業(yè)新一輪產(chǎn)業(yè)升級(jí)的突破口。風(fēng)機(jī)設(shè)備制造企業(yè)建設(shè)智能化示范工廠應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注3個(gè)要點(diǎn)：1）自動(dòng)化是智能化的基礎(chǔ)。智能化的特性及工業(yè)發(fā)展規(guī)律決定了自動(dòng)化必然是實(shí)現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)，智能工廠的建設(shè)順序應(yīng)是自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化、智能化。2）互聯(lián)集成是核心，大數(shù)據(jù)是價(jià)值體現(xiàn)。近年來，機(jī)械制造行業(yè)在信息化方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，包括SAP、MES、PIMS、ERP等在內(nèi)的提升運(yùn)營(yíng)水平的系統(tǒng)均得到了應(yīng)用，也取得了很好的效果，但是在此基礎(chǔ)上企業(yè)再進(jìn)一步提高勞動(dòng)效率就顯得很乏力。因此，需要通過行之有效的信息系統(tǒng)的互聯(lián)集成，從感知、執(zhí)行、控制和管理等4個(gè)層面進(jìn)行整合、優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)信息共享，為管理者、決策者實(shí)時(shí)掌握全局、發(fā)現(xiàn)問題、分析及決策提供全方位支持。3）企業(yè)自身需求實(shí)施智能化升級(jí)。風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)絕大部分都是由一個(gè)點(diǎn)、一條線開始，再到面、到體，先實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，再實(shí)現(xiàn)智能化。智能工廠的建設(shè)不局限于一家或幾家企業(yè)，也可以是企業(yè)本身的一套裝置或者系統(tǒng)，可根據(jù)自身需求和實(shí)力分步實(shí)施，智能工廠建設(shè)所具有的靈活性提升了其可操作的空間。

智能工廠的建設(shè)不是一蹴而就的，在建設(shè)過程中應(yīng)以提升企業(yè)效益和管理效率為導(dǎo)向，立足于解決生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、安全環(huán)保、發(fā)展建設(shè)和企業(yè)管理實(shí)際問題，注重重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施，有針對(duì)性地構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)和功能，避免出現(xiàn)形象工程。結(jié)合行業(yè)特性和生產(chǎn)智能化水平現(xiàn)狀，風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)在實(shí)施智能化工廠建設(shè)中要注意以下幾個(gè)問題[5]：1）做好智能工廠建設(shè)規(guī)劃。結(jié)合國(guó)家及當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展戰(zhàn)略，借鑒行業(yè)內(nèi)已開展智能工廠建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)企業(yè)自身特點(diǎn)和需求研究智能化發(fā)展路徑，以此為基礎(chǔ)制訂企業(yè)智能工廠建設(shè)戰(zhàn)略計(jì)劃。2）統(tǒng)一思想，做好頂層設(shè)計(jì)。從智能工廠建設(shè)過程來看，很多企業(yè)由于頂層設(shè)計(jì)不充分，存在不斷調(diào)整建設(shè)內(nèi)容、業(yè)務(wù)模塊未達(dá)到預(yù)期效果的情況，因此做好頂層設(shè)計(jì)是智能化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。3）做好新技術(shù)的應(yīng)用、總結(jié)和推廣。在智能工廠建設(shè)中，應(yīng)用了很多包括先進(jìn)控制、機(jī)器人、三維數(shù)字模型、信息通信、系統(tǒng)集成在內(nèi)的新技術(shù)，這些新技術(shù)獨(dú)立應(yīng)用也具有很好的成效。建議在智能工廠建設(shè)過程中對(duì)新技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行及時(shí)總結(jié)，根據(jù)實(shí)際情況在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行推廣。

4 結(jié)語

隨著全球新能源行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電裝備制造行業(yè)對(duì)風(fēng)機(jī)生產(chǎn)線的自動(dòng)化和智能化程度的要求也會(huì)隨之提高，采用高安全性、高生產(chǎn)效率的智能化設(shè)備和系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。本文通過對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵工序智能制造技術(shù)研究與實(shí)施，有效解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造過程裝配質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等系列問題，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造行業(yè)的整體技術(shù)水平和系統(tǒng)創(chuàng)新能力。同時(shí)就風(fēng)機(jī)生產(chǎn)智能化工廠創(chuàng)建的幾個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行了分析與研究，對(duì)行業(yè)的智能化升級(jí)具有一定的參考價(jià)值。