风电叶片模具液压翻转系统设计.pdf

２０１４年第５期玻璃钢／复合材料７９风电叶片模具液压翻转系统设计杨帅，尹秀云，胡文杰，郭文韬（中材科技风电叶片股份有限公司，北京１０２１０１）摘要：在大型风力发电叶片生产过程中，叶片模具液压翻转动作的控制对风力发电叶片质量及模具寿命起着至关重要的作用，因此在叶片生产过程中，对叶片模具开合模翻转动作的同步性及可靠性提出了严格的要求。本文主要介绍了大型风电叶片模具多翻转机构的液压及电气控制系统，详细分析了模具翻转过程中翻转油缸动作特性、电气控制等关键内容。该控制系统在实际应用中能够较好地解决大型风电叶片模具翻转过程同步性及可靠性等控制难题。关键词：风电叶片；液压翻转；同步性———中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０５００７９０３风力发电作为清洁可再生能源之一，目前在国内得到了迅速发展。风力发电叶片捕获风能资源为整个发电系统提供动力。随着风力发电单台装机功率逐步增大，叶片尺寸变大，叶片模具长度及重量也随之增加。大型风力发电叶片模具长度较长（超过７０ｍ），对翻转系统承载负荷能力、翻转同步稳定性都提出了较高要求。传统的行车机械式翻转系统已不能满足大型风力发电叶片模具要求。目前，国内外普遍采用ＰＬＣ控制比例阀开口度调整油泵输出油量实现多翻转臂（３个及以上）液压翻转系统的控制。此种方法在翻转过程中由于受模具自重较大、模具长度较长等因素影响，在模具开合模过程中各个翻转臂存在同步性较差等问题，对模具造成较大影响，缩短了模具使用寿命。本文介绍一种基于变频电机进行闭环调速的多翻转臂液压自动开合模控制系统。１液压翻转系统结构及工作原理分析１．１翻转系统结构风电叶片模具由迎风ＰＳ面（运动面）及背风ｓＳ面（固定面）构成，多个液压翻转机架分别与模具进行刚性连接，如图１所示为单个液压翻转机架与模具连接示意图。：模具重心图１单个液压翻转机架与模具连接示意图１．２翻转系统工作原理分析因多个翻转机架结构及其在模具翻转过程中动作类似，现对其中一个翻转机构进行动作分析。如图２所示为液压翻转机架几何示意图。奇异点图２液压翻转机架几何示意图收稿日期：２Ｏ１３＿０８－２２作者简介杨帅（１９８５．），男，主要从事电气工程及自动化控制系统、机电一体化、液压控制系统等方面的研究与设计工作。风电叶片模具液压翻转系统设计２０１４年５月图中，液压翻转油缸ｌ及液压翻转油缸２下部铰接点分别与翻转机架底座固定部位通过销轴进行连接，液压翻转油缸１和液压翻转油缸２上部铰接点分别与翻转机架可翻转部位通过销轴进行连接，图中对应位置分别为Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２。图中０为液压翻转机架翻转部位中心轴。Ｄ１、Ｄ２分别为液压翻转油缸与翻转机架固定部位铰接点与中心轴０之间的距离，Ｒ１、／１２为液压翻转油缸与翻转机架可翻转部位铰接点与中心轴０之间的距离。１、为翻转油缸下部铰接点到上部铰接点距离。以开模动作为例，在模具翻转过程中，液压翻转机架要先后经过、ｙ两个奇异点，当翻转油缸１经过奇异点前，油缸１和油缸２有杆腔均伸长推动翻转机架进行翻转，到达奇异点时，油缸１有杆腔缸杆伸出长度达到最大值，此时翻转机构依靠油缸２有杆腔缸杆推动进行翻转动作从而带动油缸１通过该奇异点进行换向动作，此后油缸１有杆腔缸杆始终执行回缩动作。在油缸２运动至奇异点ｌ，之前，油缸２有杆腔缸杆均执行伸长动作，在运动到奇异点ｙ时，油缸２有杆腔缸杆２伸出长度达到最大值，此时翻转机架依靠油缸１有杆腔拉动进行翻转动作并带动油缸２通过该奇异点进行换向动作。此后油缸１及油缸２有杆腔缸杆均执行回缩动作直至模具完全打开到位。１．３奇异点角度计算由上述分析可知，油缸１到达奇异点时翻转角度设为，ＯＡ２、ＯＢ２之间夹角为，ＯＢ２、ＯＡ１之间夹角为０，则由余弦定理可知：＋０＝ＣＯＳ一Ｄ；＋Ｒ一Ｌ；２Ｄｌ×Ｒ１＝１８０。一（＋）ｃｏｓ。同理，油缸２到达奇异点时翻转角度为ＪＢ，则：口＝１８０。一ＣＯＳ一。Ｄ；＋Ｒ；一Ｌ２Ｄ２×Ｒ２（３）１．４翻转速度分析当模具处于合模状态时，由图２可知，此时ＯＡ１与ＯＢ２夹角为０，ＯＡ２、ＯＢ２夹角为，设＝０＋，在模具翻转过程中直至模具完全开模，该夹角变化范围为一＋１８０。，因模具尺寸固定，所以Ｄ、Ｄ２、Ｒ、Ｒ：、０、均为固定常数。又１为油缸１下部铰接点与上部铰接点之间距离，则翻转油缸１运行至奇异点之前，根据余弦定理可以得知：Ｌ１＝Ｊ一２Ｄ１Ｒ１ｃｏｓＴ（４）将公式（４）两端分别对时间求导，则：“ｄＬｌＤｌＲｌｓｉ＇７ｄ一ｄｔ一ｄｔｒｓ、Ｄ１Ｒ１ｓｉｎ叼—同理，油缸２运行至奇异点ｙ之前时，计算液压油缸２中液压油的流体速度。２控制系统设计系统在操作过程中，可以选择遥控器操作控制或者触摸屏控制两种方式，有效解决了工业现场强电磁干扰对无线遥控系统造成干扰无法正常使用难题。选择所需操作步骤如开模，则控制信号进人ＰＬＣ中，ＰＬＣ根据预编程序启动油泵并同时接通对应电磁阀线圈，模具开始进行翻转。在翻转过程中ＰＬＣ自动检测各翻转机架角度传感器信号并计算各翻转机构平均角度值，若某个翻转机架角度值低于—平均值，则ＰＬＣ根据比例计算输出４２０ｍＡ电流信号使其对应变频器输出频率增加进行自动追赶，同理若某个翻转机架角度值高于平均值则对应变频器输出频率降低。电气控制系统示意图如图３所示。图３电气控制系统不意图在整个开模翻转过程中，电磁换向阀动作分为三段，分别如下：（１）模具由完全合模状态开始翻转到翻转机架翻转油缸到达第一个奇异点为第一阶段。此阶段过程中，ＰＬＣ输出信号接通电磁阀线圈ＹＡ１、ＹＡ３、ＹＡ５、ＹＡ７、ＹＡ９、ＹＡ１１，打开这六个三位四通电磁换向阀，液压油液通过油泵经电磁换向阀传送至六个翻转油缸无杆腔，翻转油缸１至翻转油缸６有杆腔缸杆均伸长推动ＰＳ面模具向上翻转运动。翻转油缸到达第一个奇异点时，ＰＬＣ关闭ＹＡ１、ＹＡ５、ＹＡ９线圈，同时接通ＹＡ２、ＹＡ６、ＹＡＩＯ电磁阀线圈，此时翻转２０１４年第５期玻璃钢／复合材料８１油缸１、翻转油缸３、翻转油缸５动作发生变化，液压油液由原无杆腔进入通过电磁换向阀换向变为从有杆腔进入，油缸动作由伸长变为回缩。翻转油缸２、翻转油缸４、翻转油缸６所对应电磁阀线圈动作不变，油缸缸杆继续伸长并带动翻转油缸１、翻转油缸３、翻转油缸５通过奇异点；（２）翻转油缸在第一个奇异点和第二个奇异点ｙ之间运动为第二阶段。此阶段过程中，ＰＬＣ首先执行经过第一个奇异点油缸换向后动作。当翻转油缸到达第二个奇异点ｙ时，ＰＬＣ输出信号关闭ＹＡ３、ＹＡ７、ＹＡ１１线圈，同时接通ＹＡ４、ＹＡ８、ＹＡ１２电磁阀线圈，此时翻转油缸２、翻转油缸４、翻转油缸６动作发生变化，液压油液由原无杆腔进入通过电磁换向阀换向变为从有杆腔进入，油缸动作由伸长变为回缩。翻转油缸１、翻转油缸３、翻转油缸５所对应电磁阀线圈动作不变，油缸缸杆继续回缩并带动翻转油缸２、翻转油缸３、翻转油缸６通过奇异点；（３）翻转油缸通过第二个奇异点ｙ后直到Ｐｓ面模具完全开模到位为第三阶段。此阶段模具自身重量由原来阻力变为动力，六个翻转油缸均进行回缩动作且保持一定压力，保证ＰＳ面模具平缓下落。液压翻转系统原理图如图４所示。图４液压翻转系统原理图３效果分析通过对该套液压控制系统现场安装调试，在实际翻转过程中各翻转机架角度误差能够控制在Ｏ．５。以内，较好地解决了大型风电叶片模具在翻转过程中角度误差过大难题。同时由于在各翻转机架回路系统中增加电磁溢流阀】，ｌ、、ｙ３，在翻转油缸经过奇异点、ｙ时，通过电磁溢流阀动作有效降低翻转油缸换向所引起的冲击，实现模具翻转过程中速度平稳、无抖动等效果。在翻转油缸进出油口均增加一个双向平衡阀如图４所示ＰＡ１，在翻转过程中若突发意外情况导致操作突然中断时，该阀将翻转油缸内液压油锁存保持模具状态，避免因中断操作引起模具自主下降。该系统具备因液压系统或电气控制系统故障导致各翻转机架误差过大无法自动追赶补偿自动报警停机功能，避免因此类故障所引起模具应力受损等重大事故。参考文献［１］刘冰，刘桂礼．风电叶片模具翻转液压系统控制与设计［Ｊ］．液压与气动，２０１３，（１）：１Ｏ一１２．［２３孙后环，徐海涵等．风电叶片模具液压翻转机构的速度控制［Ｊ］．液压与气动，２０１０，（７）：５１－５３．［３］颜海银，乐韵斐．风电叶片模具变幅翻转机构运动学分析［Ｊ］．机电一体化，２００７，（６）：４４－４７．［４］方康玲．过程控制系统［Ｍ］．武汉：武汉理工大学出版社，２００７．［５］胡寿松等．自动控制原理［Ｍ］．北京：科学出版社，２００１．ｆ６］方康玲．过程控制系统『Ｍ］．武汉：武汉理工大学出版社，２００７．ＤＥＳＩＧＮｏＨＹＤＲＡＵＬＩＣＲＥＶＥＲＳＡＬＳＹＳ１ＩＥＭＦＯＲＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＭＯＵＬＤ——ＹＡＮＧＳｈｕａｉ，ＹＩＮＸｉｕｙｕｎ，ＨＵＷｅｎ－ｊｉｅ，ＧＵＯＷｅｎｔａｏ（ＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌａｒｇｅｓｃａｌｅｗｉｎｄｐｏｗｅｒｂｌａｄｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｂｌａｄｅｍｏｕｌｄｈｙ－ｄｒａｕｌｉｃｔｕｒｎｏｖｅｒａｃｔｉｏｎｐｌａｙｓａｖｉｔａｌｒｏｌｅｉｎｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔａｎｄｌｉｆｅ．Ｓｏｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｔｒｉｎｇｅｎｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｙｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｂｌａｄｅｍｏｌｄｏｐｅｎｉｎｇａｎｄｃｌａｍｐｉｎｇｆｌｉｐｓ．Ｔｈｉｓａ—ｙｔｉｃｌｅｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｏｆｌａｒｇｅｓｃａｌｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｔｕｒｎｏｖｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｋｅｙｃｏｎｔｅｎｔｓｕｃｈａｓｏｉｌｃｙｌｉｎｄｅｒａｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｈｅｍｏｌｄｔｕｒｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃａｎｂｅｔｔｅｒｓｏｌｖｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｂｌｅｍｓｓｕｃｈａｓｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｍｏｌｄｆｌｉｐｐｒｏｃｅｓｓｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｂｌａｄｅｓ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｌｉｐｓｙｓｔｅｍ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｃｉｔｙ