大型复合材料风电叶片模具整体设计与制造技术.pdf

２０１４年第５期玻璃钢／复合材料６９大型复合材料风电叶片模具整体设计与制造技术颜晨，李晓玲，李义全（１．中材科技风电叶片股份有限公司，北京１０２１０１；２．北京玻钢院复合材料有限公司，北京１０２１０１）摘要：本文总结了中材科技风电叶片股份有限公司在大型复合材料风电叶片模具方面的经验，详细阐述了复合材料风电叶片模具的设计和制造技术，讨论了风电叶片模具设计和制造过程中应注意的一些问题。关键词：风电叶片；模具；设计；制造———中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０５００６９０６１引言复合材料风电叶片是风力发电机组中能量转化的关键部件，其设计制造的好坏直接关系到风力发电机的效率和使用寿命，影响着整个系统的性能。叶片成型质量的好坏又取决于模具质量的好坏，高精度的模具设计与制造技术是叶片气动外形的重要保证，对产品的生产效率、最终质量和性能起着决定性作用。随着风电机组不断朝大型化方向发展，风电叶片的尺寸逐渐增大，成型时对模具强度和刚度的要求也越高，相应的，模具的重量和成本将大幅提高。为了减轻模具重量，降低模具成本，大型复合材料叶片的模具也逐渐由早期的金属模具向着复合材料模具转变。复合材料模具基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与Ｅ玻璃纤维、ｓ玻璃纤维等增强材料以及钢结构、翻转机构、加热系统等重要部分组成。复合材料模具的使用意味着复合材料叶片可以做得更大、更长；同时，由于模具和叶片采用了相同的材料，热膨胀系数基本一致，使得制造出的复合材料叶片的精确度和尺寸稳定性均优于金属模具制造的叶片产品。目前真空导入成型工艺已成为复合材料风电叶片制造的主流工…艺，相应的叶片模具应具备以下基本要求：（１）表面光滑、平整、密实：为保证叶片产品表面优良，模具表面应无裂纹、针孔，表面光泽度应达到９０以上，表面粗糙度＜１０ｐＬｍ；（２）气密性好：因为采用真空导人成型工艺制造叶片，对模具的气密性要求就比较高，通常情况下要求１５ｍｉｎ内真空降小于１０ｍｂａｒ；（３）尺寸精度高、结构稳定性好：模具尺寸应实现长度方向平均每米偏差小于０．５ｍｍ；（４）温度场均匀，加热可靠，温度场应能够实现实时监测，保证每平米表面温差小于０．５￣Ｅ；（５）合模定位、锁紧方便，翻转精度高；（６）表面硬度高、使用寿命长：模具表面巴氏硬度应达到４Ｏ以上，以减小脱模时对模具造成的损伤，使其寿命大于４００支叶片；（７）运行安全、运输便利。２风电叶片阳模设计与制造技术为了顺利制造模具，必须先进行阳模的设计制造。对于小型叶片，往往可以采用石膏、水泥、石蜡作为基材来制作整个叶片的模型，这样制作出来的叶片阳模往往尺寸精度较低，表面粗糙，容易产生气孔、裂纹等缺陷，平整度较差，适合那些精度要求较低、表面质量要求不高的模具制作Ｊ。对于大型叶片，要将叶片整体制作成阳模难度比较大，故常将阳模分成上、下两个半模来制作，如图１所示。阳模主要由三部分组成：（１）阳模平台：用于承载整个阳模重量，一般采用支撑钢结构做成；（２）肋板：用于支撑阳模表面，肋板的形状与半个叶片截面形状相符合；（３）阳模表面：用以翻制阴模模具壳板。收稿日期：２０１３－１２－０９作者简介：颜晨（１９８５一），男，主要从事复合材料叶片及模具的设计与制造技术研究。图１叶片阳模外形图囊｜鹾ｌ７０大型复合材料风电叶片模具整体设计与制造技术２０１４年５月目前阳模的制作加工主要有以下两种技术路线。一种是钢构代木型，其肋板由按一定间距规律排列的钢板构成，在钢板上将一系列钢管按事先设定的顺序焊接成与叶片截面相符的形状，然后再涂上代木。所谓代木其实是一种可加工的双组分糊状树脂，通过两根管子导出，在前段混合均匀后涂覆于阳模表面，固化后机械加工性能好，有时甚至不用打磨就很光滑。国外包括在国内生产的专业做叶片模具的红枫公司多数都是采用这种方式来制作加工叶片阳模。为了节省成本，也可用苯乙烯泡沫代替钢板，再在表面涂上糊状代木，完成这步后，再把固化后的模型在五轴联动的ＣＮＣ加工机器上按事先输入的数据进行铣削即可得到与叶片外形一致的阳模表面。另外一种是木质结构型，其肋板由按一定间距规律排列的木质截面板构成，表面由按正交方式铺放的三合板蒙制而成。钢构代木阳模的优点是模具型面质量高，缺点是加工周期长、价格高；木质阳模的优点是加工周期短、成本低，缺点是模具型面质量较差。下面以木质阳模为例，讲述阳模的制造工艺技术，图２为木质阳模制作工艺流程。调平原材料、工器具准备画线Ｌ平台制作ｌｌ截面板厂分解截板图截面板加工截面板安装截面板检验Ｉ查窒茎ｌ［亟匪—后处理ｌ合阳模型图２阳模制作工艺流程图２．１阳模平台制作与调平制作高精度的模型首先必须搭建高精度的基准平台，搭建叶片阳模基准平台的关键在于其整体平面度、水平度和稳定性。一般采用大型槽钢做横撑梁，沿长度方向按一定间距排列，其槽钢与地用地脚螺栓连接，先用激光扫平仪进行粗调节，基本固定后再用水平仪调节高度，在基本满足要求时在横梁上顺着长度方向固定钢轨。在基本结构搭建完成后，用叶尖、叶根、叶中三台水平仪进行再校正，对每次调节的活动点进行跟踪，如此反复调整，使平台满足使用要求。２．２截面板设计、加工与安装阳模平台搭建完毕之后，采用截面板的方式控制叶片外形并将其固定于钢轨平台之上。图３为截面板外形设计图。首先将叶片三维图转化成ＣＡＤ图，并根据设计要求对截面板做出凹槽位置。图３截面板外形设计图此外，在截面板上还要进行连接孔的设计，用于截面板之间的连接，如图４所示。截面板设计完成后，利用ＣＮＣ雕刻机编制程序加工截面板。截面板在平台上采用激光定位，先在钢轨两端固定发射装置和接收装置，在叶根、叶中和叶尖处各立一块截面板，使得激光发射装置发射的激光穿过这三块板正好打在接收装置上的中心处，安装过程中保证叶片中基准截面板上激光的大小位置不变。图４截面板连接孔设计２．３阳模表面制作图５所示为截面板Ｌ的木条拼接。图６所示为２０１４年第５期玻璃钢／复合材料７３“吊杆右端分别安装一个位移液压缸，在接近发生突”变之前行车停止动作，位移液压缸起作用，产生小位移的推力，使重心平稳地越过回转中心，保证了模具在翻转时的平稳性。同时项目组还设计了多步定位的合模方法，即首先采用液压平衡半球定位系统，使模具在进入定位阶段已基本实现粗定位，然后用一“”种活动的定位销进行精确定位，丁字螺栓和液压锁模系统的组合实现了快速锁模。液压翻转是目前国外比较流行的翻转方法。全自动液压翻转设备由翻转架、液压系统以及电控系统３部分组成，不仅可以实现翻转过程的自动化，提高翻转效率，使翻转过程平稳，而且还能更好地保证模具精度和寿命，提高叶片生产的质量，其液压翻转系统原理如图ｌｌ所示。图１１液压翻转系统原理图液压装置分为两个部分：液压顶升装置与液压闭模锁紧装置，安装在下模钢结构上。液压顶升装置通过在下模具的两侧均布顶升油缸来实现支撑和顶升上模；液压闭模锁紧装置通过两侧适当间隔布置的张紧油缸来实现另一要求，即合模后液压缸张紧上、下模具。图１２为液压翻转示意图＿６Ｊ。图１２液压翻转示意图３．２模具制造技术３．２．１模具制造工艺复合材料模具制造工艺流程如图１３所示。胶衣、纤维、树脂等材料准备合格的阳模模型表面处理表面层制作—————————，ｊ乏宴墨｝－－外结构层制作脂等材料准备ｌＩ：二：：：：二：：钢架、预埋件准备加固层制作安装钢架，焊接预埋件预固化—１＿一合模组装调试后固化．合格主模具图１３复合材料模具制造工艺流程（１）高气密性模具制造技术模具的气密性是叶片成型过程中最为关键的技术，直接影响产品质量，一旦出现问题可能会导致产品报废。模具的气密性要靠表面层来保证。模具表面层分为胶衣和方格布层，胶衣又分为面层胶衣和过渡层胶衣。面层胶衣有很强的抗划伤、传热和耐热性能，过渡层胶衣用来提高面层胶衣和玻璃钢的粘接性能。胶衣涂覆完毕后间隔１ｈ左右即可糊制方格布层，然后贴上脱模布固化后即可进行下一步的内结构层工序。整个工序中应注意胶衣的脱泡。由于胶衣较稠，只能采用手工打胶钻进行混合，在混合的过程中不可避免地会混入空气，若不进行脱泡处理，涂覆胶衣层的时候将会把空气混入其中以致做出的模具表面会有针孔，将严重影响表面质量；（２）ＲＩＭ工艺模具制造技术模具制造采用真空导入工艺，在对模具的结构、受力和功能充分考虑的基础上，需要对导流管路、连７４大型复合材料风电叶片模具整体设计与制造技术２０１４年５月续毡和泡沫芯材、注胶口、溢胶口等真空导人技术的关键点进行科学合理的设置，并利用ＰＡＭ等软件进行优化设计，对实施过程进行仿真模拟，极大地降低大型模具制备过程用ＲＩＭ工艺成型时缺陷产生的可能性。３．２．２模具制造过程中需要注意的几个问题（１）胶衣分层胶衣分层主要是表面层与内结构层的分层，可能的原因是在进行内结构层铺层的时候没有将表面层的界面处理好，一般要求表面粗糙，无粉尘颗粒。其次的原因是，模具的整体固化度不够，树脂体系还没有反应完全；（２）模具基圆收缩变形目前大型模具制造一般采用环氧树脂作为基体材料，固化时存在一定的收缩，在模具后固化前，必须用钢板将模具基圆进行加固，否则基圆失效将会影响叶片基圆的圆度，情况严重时将影响叶片圆螺母及法兰的安装；（３）铜管冻裂在北方及零度以下的地区，当模具不经常使用时，必须将模具里的水用空气压缩泵完全吹出后方可进行室外放置及转运，否则铜管里的水易结冰，冰的密度比水小，铜管体积不变，在严重时撑爆铜管，造成极大的维修难度。４结束语大力开发风电能源对于缓解我国将来的能源危机具有战略意义。国家对可再生清洁能源的支持，加快了风力发电的发展速度，也为我国的大型复合材料叶片开发提供了一个不可多得的发展机遇。叶片质量的好坏绝大部分取决于模具质量的优劣，目前我国大型、复杂、高精度的复合材料模具设计、制造和加工技术还很缺乏，核心技术还不具备，模具设计、校核及工艺技术人员的经验尚不足。叶片行业的可持续发展，急需形成自主高质量的模具设计制造技术。参考文献［１］王飞．小型风力发电机叶片设计与制造工艺研究［Ｄ］．广西大学，２００７．［２］李惠军．风电叶片制造装备的关键技术［Ｄ］．同济大学，２００８．［３］颜海银．液压驱动的大型风电叶片模具翻转系统设计与研究［Ｄ］．同济大学，２００８．［４］冯消冰，王伟．１．５ＭＷ风机叶片模具加热工艺研究与技术创新［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（５）：６６－６８．［５］章宏甲，黄谊．液压传动［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３．［６］徐海涵，孙后环等．风电叶片模具液压翻转机构液压缸支点位置的设计［Ｊ］．起重运输机械，２００９，（１２）：２９－３２．［７］胡燕平，戴巨川，刘德顺．大型风力机叶片研究现状与发展趋势［Ｊ］．机械工程学报，２０１３，４９（２０）：１４０．１５１．［８］侯彬彬．抗冰冻低风速大型风电叶片技术［Ｊ］．大功率变流技术，２０１３，（１３）：７８－８１．［９］陈光华．风力发电机组组合式叶片结构设计研究［Ｄ］．华北电力大学，２０１３．［１Ｏ］李良君．风力发电机叶片模具制造［Ｊ］．产业与科技论坛，２０１３，１２（１８）：９２－９３．［１１］杨帅，尹秀云，翟辉．ＭＷ级风力发电叶片模具温度控制系统设计［Ｊ］．制造业自动化，２０１３，３５（１０）：４６－４８．［１２］何涛，廖胜兵，齐志攀．直接加工兆瓦级风电叶片模具的可行性研究［Ｊ］．创新技术，２０１３，（５）：２２－２３．［１３］戴春晖，刘钧，曾竟成，边力平．复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００８，（１）：５３－５６．［１４］李军向，薛忠民，王继辉，冯宾春．大型风轮叶片设计技术的现状与发展趋势［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００８，（１）：４８－５２．［１５］卢同红，高阳，任洪伟，石义鹏．风电叶片在后打孔模具上实现预埋螺栓套成型的工装结构研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１３，（４）：３９－４２．ＴＨＥＯＶＥＲＡＬＬＤＥＳＩＧＮＡＮＤＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳＯＦＷＩＮＤＰ０ＷＥＲＢＬＡＤＥＭ０ＬＤ—ＹＡＮＣｈｅｎ，ＬＩＸｉａｏｌｉｎｇ，ＬＩＹｉ．ｑｕａｎ（１．ＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｏｎｌａｒｇｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｎｄｐｏｗｅｒｂｌａｄｅｍｏｌｄｏｆＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅ—Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｂｌａｄｅｓｍｏｌｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ａｔｌａｓｔ，ｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｎｍｏｌｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｂｌａｄｅ；ｍｏｌｄ；ｄｅｓｉｇｎ；ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ