石鵬飛

（三一重能有限公司，湖南 長沙410100）

0 引言

隨著大功率風力發(fā)電機的發(fā)展和南方低風速風場的開發(fā)，長葉片技術(shù)研究愈發(fā)顯得重要。而葉片的制作離不開模具，一套高精度、長壽命的風機葉片模具是高質(zhì)量葉片成型的基礎(chǔ)，同時也是降低風機葉片制作成本的重要保障。

許蕾[1]等利用UG軟件的建模及分析能力，對葉片模型進行法蘭設(shè)計和分段鋼架設(shè)計，為風機葉片模具分段設(shè)計提供了參考。李義全[2]等提出采用補償性設(shè)計減少葉根基圓的收縮變形，為葉片模具型面精度控制有重要指導作用。馮消冰[3]等從機械、液壓、電控三個方面介紹了一種全液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計過程并進行運動優(yōu)化控制，樂韻斐[4]等通過Matlab優(yōu)化工具箱對風電葉片模具液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，均為風機葉片模具的整體優(yōu)化發(fā)展開創(chuàng)了新的思路。楊帥[5]等研究風電葉片模具電阻絲加熱的電加熱控制系統(tǒng)，大大提高了風電葉片模具加熱系統(tǒng)的溫升速率。

本文從傳統(tǒng)風電葉片模具出發(fā)，闡述殼體陽模具、殼體主模具設(shè)計制作工藝，同時對設(shè)計制作過程中的關(guān)鍵控制點和檢測項進行分析和總結(jié)，為各類型號風電葉片模具設(shè)計制作提供重要實踐參考。

1 模具整體概述

風力發(fā)電機葉片組成包括迎風面殼體（PS面殼體）、背風面殼體（SS面殼體）、腹板。其中PS面殼體、SS面殼體包含蒙皮、大梁、芯材及葉根組件。風力發(fā)電機葉片結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 風力發(fā)電機葉片示意圖

從葉根往葉尖段剖開截面如圖2所示。

圖2 葉片截面示意圖

葉片制作時，腹板、大梁分別在腹板模具、大梁模具預制成型，殼體（含蒙皮、預制大梁、芯材及葉根組件）在殼體主模具一起鋪設(shè)成型。殼體成型后，腹板吊裝至殼體進行定位粘接，然后PS面殼體和SS面殼體合模粘接成型。

一套風力發(fā)電機葉片模具組成包括：殼體陽模、殼體主模具、大梁模具、腹板模具。陽模具表面機加成型，用來翻制殼體主模具和大梁模具。腹板模具一般為鐵制表面模具，用來制作葉片腹板。各部件模塊功能如圖3所示。

圖3 風力發(fā)電機葉片模具各模塊示意圖

2 殼體陽模

殼體陽模包括鋼架支撐體和玻璃鋼層，陽模設(shè)計制作流程如圖4所示。

圖4 陽模設(shè)計制作流程示意圖

由于殼體主模具SS面、PS面分別在固定的陽模SS面、PS面上翻制，陽模為相對靜態(tài)的使用過程，因此陽模鋼架支撐體主要考慮強度和剛度性能指標。為了便于操作，陽模鋼架高度設(shè)計在保證剛度的前提下盡量矮，一般最低高度不能小于500 mm。

葉片葉根端面豎直放置時，葉尖高度太高。為降低所設(shè)計模具的整體高度，一般將葉片往葉尖傾斜一定角度放置，即葉根端面同豎直平面成一夾角，夾角范圍0~5°不等，根據(jù)葉片預彎值進行確定。根據(jù)模具設(shè)計的長度，可將模具分為若干段進行對接。目前現(xiàn)有數(shù)控CNC加工中心長度大約為30 m，同時考慮每段運輸?shù)谋憬菪院统杀?，一般每段陽模長度不超過15 m。

2.1 陽模鋼架支撐體

陽模鋼架支撐體從下至上可分為框架層、卡板層、型面層，單段陽模示意如圖5所示。每段獨立陽模要設(shè)計吊裝工裝，吊裝位置處設(shè)計雙截面，防止吊裝變形。

圖5 陽模單段鋼架示意圖

鋼架斷面示意如圖6所示，包含橫梁、縱梁、立柱和斜撐。其中縱梁選用鋼材較之其他件號大一種尺寸規(guī)格，以60 m長度模具為例，其他件號選用鋼材型號為80 mm的方管，縱梁選用鋼材型號為100 mm的方管。

圖6 鋼架斷面示意圖

鋼架支撐體制作主要步驟如下：

（1）搭建輔助基準平臺，調(diào)整水平面；

（2）在輔助基準平臺上焊接制作鋼架支撐體框架層，保證框架層直線度、立柱垂直度；

（3）定位焊接卡板層卡板和加強筋板；

（4）型面層隨形小方管鋪設(shè)焊接，小方管從前后緣往中間鋪設(shè)，各段鋼架對接處小方管設(shè)計預留大約30 mm間隙；

（5）鋼架做振動時效處理。

2.2 陽模玻璃鋼層

陽模玻璃鋼最外層型面機加成型，氣動外形和葉片型面理論上完全一致。由于殼體主模具在陽模上翻制時存在收縮變形，陽模葉根段1 m范圍內(nèi)型面外徑設(shè)計增大5~10 mm，殼體主模具葉根段翻制后外徑偏差范圍要求一般為0~+2 mm。

陽模玻璃鋼層從下往上包括膩子層、玻纖層、代木層、表面層，如圖7所示。

圖7 陽模玻璃鋼層示意圖

膩子層主要包含有氣相二氧化硅、樹脂和固化劑（手糊樹脂及固化劑配比為100∶32）。鋼架支撐體型面層隨形小方管打磨后刮涂膩子層，填充密封小方管之間的間隙，整體厚度超出小方管大約1 mm。固化后打磨表面，增大表面粗糙度，然后鋪設(shè)手糊大約5 mm厚度四軸向玻纖布。玻纖布層固化后打磨表面，增大粗糙度，開始鋪設(shè)代木層。代木層的厚度根據(jù)各區(qū)域分布有所不同，以本設(shè)計為例，葉根至距離葉尖5 m區(qū)域內(nèi)，隨形小方管設(shè)計高度比型面矮20 mm，型面鋪設(shè)代木層的厚度一般為30 mm，葉尖5 m區(qū)域內(nèi)隨形薄板設(shè)計高度比型面矮25 mm，型面鋪設(shè)代木層厚度一般為35 mm，預留代木層加工厚度10 mm。

陽模代木層機加工藝過程：吊運與固定→對刀→試切與調(diào)整→粗加工→型面檢查與修補→精加工→型面檢測。

表面層主要為易打磨膠衣，在陽模型面代木層機加和各分段對接后噴涂，固化后厚度約0.5 mm，表面層的作用用于保證模具表面的光潔度和表面防護。

2.3 各分段陽模對接

各分段陽模代木層經(jīng)過數(shù)控CNC加工后，需要拼接成為一個整體。首先通過粗調(diào)將各分段模具擺放在相應的對接位置，然后根據(jù)中心線標記調(diào)整中心軸線直線度，限制弦線方向移動和繞豎直軸線轉(zhuǎn)動的自由度；根據(jù)中心軸線長度測量控制葉展方向移動和繞弦線方向轉(zhuǎn)動的自由度；根據(jù)型面高度、標高和其他設(shè)計定位基準調(diào)整前、后緣高度，限制上下方向移動和繞葉根葉尖中心軸線轉(zhuǎn)動的自由度。

各分段陽模對接位置精調(diào)確定后，對接縫處型面（寬度約200 mm）打磨至玻璃鋼層。手糊大約5層玻纖布層，然后鋪設(shè)大約5 mm厚度的代木層，固化后打磨對接縫型面，光滑過渡。代木層外表面噴涂易打磨膠衣，后續(xù)修磨表面至合格。經(jīng)過型面后處理合格的陽模如圖8所示。

圖8 殼體陽模具生產(chǎn)圖

2.4 殼體陽模檢測項目

陽模制作過程中檢驗控制的項目為鋼架尺寸檢測、原材料檢測、工藝過程控制。陽模制作驗收需要檢測的項目主要包括鋼架外觀檢測、模具玻璃鋼表面外觀檢測（包括米刻標識等）、表面粗糙度檢測（Rz≤8 μm）、真空保壓檢測（保壓30 min，壓力上升小于4 kPa）、長度檢測（偏差≤±設(shè)計長度/1 000 mm）、型面激光檢測（整體水平偏差≤±3.5 mm）。

3 殼體主模具

殼體主模具包括鋼架支撐體和玻璃鋼層（含加熱系統(tǒng)）、法蘭機構(gòu)、液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)。殼體主模具玻璃鋼層在陽模上翻制成型，殼體主模具設(shè)計制作流程如圖9所示。

圖9 殼體主模具設(shè)計制作流程示意圖

3.1 鋼架支撐體

鋼架支撐體包括SS面和PS面鋼架支撐體，合模狀態(tài)如圖10所示。合模后鋼架高度一般不超過5 000 mm，鋼架截面間距一般取1 500~2 000 mm，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)兩側(cè)各一個截面間距取800~1 000 mm，保證翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝處鋼架的強度和剛度。

圖10 殼體主模具鋼架支撐體合模示意圖

殼體主模具鋼架支撐體從下至上可分為三個部分：框架層、卡板層、預埋層。如圖11所示，框架層為型鋼制作的主體框架，卡板層分布在每個截面，和每個截面的框架主體焊接。預埋層包括中間預埋件和縱梁預埋件，中間預埋件包括預埋型鋼、調(diào)節(jié)螺栓和支架，支架焊接在每個截面的卡板上，中間相鄰預埋型鋼之間的寬度一般為600 mm?？v梁上預埋件包括預埋型鋼、支架和調(diào)節(jié)支撐座。支架和預埋型鋼焊接，裝配在調(diào)節(jié)支座上，可實現(xiàn)上下方向、弦線方向移動調(diào)節(jié)。

圖11 殼體主模具鋼架截面示意圖

3.2 殼體主模具玻璃鋼層

殼體模具根端法蘭和前后緣法蘭均需預留300 mm的操作寬度。殼體主模具玻璃鋼層從外往內(nèi)依次為保溫層、第二層結(jié)構(gòu)層、加熱層、第一層結(jié)構(gòu)層、表面層。如圖12所示，表面層一般為高光膠衣或碳氈，厚度大約1 mm，可采用手糊或真空灌注。第一層結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)短切氈和四軸向玻纖布，厚度大約10 mm，采用真空灌注，加熱層包括鋁網(wǎng)、鋁粉、銅管和輕木，厚度大約20 mm，第二層結(jié)構(gòu)層包括短切氈和四軸向玻纖布，厚度大約10 mm，采用真空灌注，保溫層主要為聚氨酯泡沫，厚度大約50 mm。

圖12 殼體主模具玻璃鋼鋪層結(jié)構(gòu)示意圖

加熱層可根據(jù)殼體型面整體面積進行分區(qū)，各分區(qū)面積大致相等。銅管尺寸規(guī)格采用φ12×1 mm，最長不超過70 m，銅管繞行之間的間距一般不超過80 mm。銅管之間填充鋁粉和輕木，同時保證加熱傳導性能和玻璃鋼層的強度。

根據(jù)殼體型面面積和水系統(tǒng)加熱溫升速率（不低于20℃/h），計算加熱系統(tǒng)所需模溫機的功率，參考60 m模具模溫機選型，單臺模溫機功率不低于120 kW，選用兩臺。

3.3 法蘭機構(gòu)

法蘭機構(gòu)安裝在模具的根端，主要用于葉片制作時預埋螺栓套的定位。如圖13所示，鋼制法蘭板采用45#鋼，厚度一般不小于60 mm。兩個半塊法蘭板通過鉸接座安裝在鋼架上，同時帶有鎖緊螺栓進行鎖緊，上下法蘭塊通過楔形塊進行導向定位。

圖13 法蘭機構(gòu)示意圖

上下法蘭平面度安裝要求誤差≤1 mm，法蘭和模具型腔同軸度偏差≤1 mm。法蘭開合采用油缸伸縮機構(gòu)，開合角度設(shè)計盡可能大，預留法蘭板內(nèi)側(cè)清膠空間。為了改善葉根加熱固化效果，法蘭預埋加熱管路，可采用水加熱或電加熱。

3.4 液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)

液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要包括鎖緊、頂升機構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。首先計算確定翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的分布位置，保證翻轉(zhuǎn)過程鋼架的變形最小，然后根據(jù)所確定翻轉(zhuǎn)機構(gòu)位置的支反力矩，計算所需翻轉(zhuǎn)油缸的缸徑和桿徑大小。

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝示意如圖14所示。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝主要保證各翻轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)中心的同軸度，偏差不超過1 mm，同時要確保翻轉(zhuǎn)中心的高度不小于翻轉(zhuǎn)所需的最低高度。

圖14 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝示意圖

頂升機構(gòu)布置根據(jù)殼體主模上模具和葉片上殼體重量，計算各個頂升點支反力，一方面保證各個支反力差值小，另一方面根據(jù)行業(yè)標準，需要保證頂升狀態(tài)下鋼架變形在允許范圍內(nèi)，懸臂最大變形量小于懸臂長度的1/300。根據(jù)頂升狀態(tài)下鋼架葉尖變形量大小確定是否需要在尖部中間位置單獨設(shè)置一個頂升機構(gòu)。

鎖緊機構(gòu)分布在每個鋼架截面，前、后緣均有。有頂升機構(gòu)的截面鎖緊機構(gòu)鎖緊方式為弦向鎖緊，沒有頂升機構(gòu)的截面鎖緊機構(gòu)為展向鎖緊方式。鎖緊機構(gòu)油缸提供的壓力一般不小于16 MPa。

安裝調(diào)試完成后殼體主模具如圖15所示。

圖15 殼體主模具生產(chǎn)圖

3.5 殼體主模具檢測項目

殼體主模具制作過程中檢驗控制的項目為鋼架尺寸檢測、原材料檢測、工藝過程控制。殼體模具制作驗收需要檢測的項目主要包括鋼架外觀檢測、模具外觀檢測（米刻標識等）、表面粗糙度檢測（Rz≤ 8 μm）、真空保壓檢測（保壓30 min，壓力上升小于4 kPa）、長度檢測（偏差≤±設(shè)計長度/1 000 mm）、型面激光檢測（整體水平偏差≤±5 mm）。

4 大梁模具及腹板模具

大梁模具包括鋼架支撐體和玻璃鋼層（含加熱系統(tǒng)），玻璃鋼鋪層可以在殼體陽模上翻制，設(shè)計與制作工藝和殼體主模具類似。

大梁模具生產(chǎn)如圖16所示。玻璃鋼型面精度和表面質(zhì)量要求同殼體主模具一致。

圖16 大梁模具生產(chǎn)圖

腹板模具一般設(shè)計鐵腹板形式，包括鋼架支撐體、腹板平臺組件、加熱系統(tǒng)和保溫層。腹板平臺用鐵制平板替代玻璃鋼平面，其余設(shè)計與制作工藝和殼體主模具類似。

腹板模具生產(chǎn)如圖17所示。平臺面平整度要求≤±3 mm，表面粗糙度≤12.5 μm。

圖17 腹板模具生產(chǎn)圖

5 結(jié)語

（1）陽模設(shè)計在葉根處對外圓直徑進行預擴大處理，為殼體主模具翻制后葉根外圓預留收縮量。制作工藝首先要保證鋼架支撐體及型面層制作精度，其次嚴格控制代木層鋪層厚度、質(zhì)量和CNC加工精度，最后保證陽模分段對接精度、型面精度和氣密性。

（2）殼體主模具設(shè)計要嚴格控制上模翻轉(zhuǎn)過程中的變形量，同時保證液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的同步精度和葉根端面鋼法蘭機構(gòu)的平面度和同軸度。制作工藝要保證玻璃鋼灌注層質(zhì)量、加熱層鋪設(shè)質(zhì)量、表面質(zhì)量、型面精度以及翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和法蘭機構(gòu)裝配精度。

（3）按此工藝設(shè)計制作60 m葉片模具，制作出葉片型面精度滿足設(shè)計要求，樣片通過靜力、固有頻率、疲勞測驗，為葉片質(zhì)量提供生產(chǎn)保證。