風(fēng)電葉片陰模的設(shè)計(jì)與制作技術(shù)

陶生金　何明　林濤

摘 要：隨著葉片向大兆瓦級(jí)以及海機(jī)的發(fā)展，對(duì)葉片的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，但是葉片的質(zhì)量很大程度上依賴于模具的質(zhì)量，模具質(zhì)量的好壞以及模具型面精度直接影響葉片的質(zhì)量，本文對(duì)大型風(fēng)機(jī)葉片模具設(shè)計(jì)和制作工藝進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)介紹，對(duì)玻璃鋼模具工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼，模具，設(shè)計(jì)，制作

引言

隨著風(fēng)電市場(chǎng)的發(fā)展，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的生產(chǎn)提出了更高的尺寸精度及質(zhì)量要求，特別是海上風(fēng)機(jī)葉片的發(fā)展。而風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量很大程度上依賴于生產(chǎn)葉片所用的模具，這就對(duì)生產(chǎn)葉片的陰模模具提出了更高的質(zhì)量要求，即要求表面氣動(dòng)外形尺寸準(zhǔn)確、表面光潔度要求高、無(wú)潛藏氣泡和針孔等弊病，保證良好的氣密性。

1 葉片模具的結(jié)構(gòu)形式

葉片模具主要有鋼結(jié)構(gòu)部分與復(fù)合材料兩部分構(gòu)成。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)材料的選型，對(duì)于葉片模具來(lái)說(shuō)，由于是不規(guī)則結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)一般采用桁架結(jié)構(gòu)，鋼材選用一般考慮到強(qiáng)度，穩(wěn)定性以及應(yīng)變，首選無(wú)縫冷拔結(jié)構(gòu)鋼，一般采用60*60*3，80*80*4或者100*100*5的方管做整體的骨架，并在液壓翻轉(zhuǎn)的局部地方采用局部加強(qiáng)。按照葉片的形狀，繪制出葉片的外輪廓框架，在從葉片翼型標(biāo)定的L0m開始，沿葉片的長(zhǎng)度方向，每隔2m做一個(gè)截面，并將鋼架的中心定位線標(biāo)記好，以便后續(xù)安裝使用，鋼架是型面復(fù)合材料層提供主要的受力件，運(yùn)用軟件繪制三維鋼架模型圖畫以后，運(yùn)用有限元分析軟件（ANSYS）分析鋼架在各種工況下的靜強(qiáng)度以及模態(tài)，確定鋼架的安全系數(shù)。在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上首先建立鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型，劃分有限元網(wǎng)格，將葉片的重量加上符合材料層的重量，在加上鋼架整個(gè)的總重量，作為自重載荷作用在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)上，鋼結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用全約束形式，即采用限制六個(gè)自由度，進(jìn)行求解。并評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果，分析查看鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D

1.2 復(fù)合材料層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

復(fù)合材料層主要有下面幾個(gè)主要層構(gòu)成：1）密封層，密封層可以分成內(nèi)膠衣層，外膠衣層以及過渡層構(gòu)成，外膠衣層的主要材料為環(huán)氧性、耐高溫、耐磨膠衣構(gòu)成，待膠衣不粘手時(shí)開始制作內(nèi)膠衣層；內(nèi)層膠衣主要有類同于外膠衣層性能，待膠衣不粘手時(shí)開始制作過渡層；過渡層包括依次鋪設(shè)的表面氈層、斜紋編織布層和雙軸布層，第2密封層的外膠衣層設(shè)在第1密封層的過渡層的上部。室溫固化12h.2）密封邊 為了防止在制作結(jié)構(gòu)層是真空灌注時(shí)的保壓，必須制作密封邊，用合模膠沿模具周邊全部刮一遍，固化后方可進(jìn)行下一步工作。3）內(nèi)結(jié)構(gòu)層 結(jié)構(gòu)層主要有四軸向纖維布按照給定的設(shè)計(jì)鋪層鋪層，結(jié)構(gòu)層纖維布按照模具的大小可以鋪設(shè)8—12層纖維布，為模具復(fù)合材料層的強(qiáng)度層，再采用真空灌注工藝形成，固化時(shí)間為室溫24h，選用的真空灌注樹脂為必須為環(huán)氧性，固化后的Tg值高于葉片本體的Tg值。4）法蘭邊增厚層，為了提高玻璃鋼的強(qiáng)度，故在法蘭邊設(shè)計(jì)了增厚的鋪層設(shè)計(jì)，提高法蘭邊的強(qiáng)度。5）加熱層 為了使葉片能夠在制定得工藝條件下的固化，故模具需要加熱層，現(xiàn)用的玻璃鋼葉片的樹脂固化成型溫度都低于100度，加熱層主要有銅管組成加熱管路，加熱管路必須經(jīng)過試水打壓測(cè)試，檢驗(yàn)管道的氣密性，管路與管路之間用導(dǎo)熱較好并且較輕的鋁粉作為導(dǎo)熱材料，為了給模具減重，可以適當(dāng)?shù)募尤胍恍┹p木。6）外結(jié)構(gòu)層，外結(jié)構(gòu)層一般、按照模具的大小可以鋪設(shè)3—5層纖維布，手糊工藝制作外結(jié)構(gòu)層。7）保溫層 保溫層主要選用聚氨酯發(fā)泡材料，制作厚度為5cm，主要為模具提供保溫。整個(gè)模具復(fù)合材料層結(jié)構(gòu)圖見下圖。

1.3 復(fù)合材料層各部分的功能與作用

密封層主要作用：提高了模具的質(zhì)量，確保了葉片的氣動(dòng)外形尺寸，提高模具表面的光潔度，同時(shí)保障了模具的氣密性和模具的其他使用性能。其保證了在生產(chǎn)過程中模具有更高的使用性能，確保了葉片的質(zhì)量，減少了模具的維護(hù)和維修工作，延長(zhǎng)模具的使用期限，降低消耗成本，更加滿足了生產(chǎn)對(duì)模具的使用要求。

密封邊的主要作用：保證法蘭邊的密封性，確保陰模制作的密封性能。

內(nèi)結(jié)構(gòu)的主要作用：主要是符合材料層的受力部分，為葉片的型面提供受力保障，保證葉片模具的受力變形；

加熱層的主要作用：模具熱源的供體，葉片產(chǎn)品的加熱提供熱能量，使模具完全固化。

外結(jié)構(gòu)層的主要作用：與模具內(nèi)結(jié)構(gòu)一起對(duì)模具起到承載作用。

保溫層的主要作用：保證熱源提供的熱能能夠持續(xù)穩(wěn)定的傳導(dǎo)到模具里面，并對(duì)模具起到保持溫度作用。

2 鋼結(jié)構(gòu)部分與復(fù)合材料層的連接

鋼結(jié)構(gòu)按照?qǐng)D紙焊接完畢之后，需要用液晶全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效裝置將鋼架的應(yīng)力消除，復(fù)合材料層在陽(yáng)模上制作完成，復(fù)合材料層與鋼結(jié)構(gòu)各自制作完成以后，用2臺(tái)行車將鋼架吊起，然后將鋼架的中心線與復(fù)合材料層模具的中心線方重合，再用圓形鋼管和隨型板將鋼架與復(fù)合材料層連接，并使用手糊樹脂將其固定，并將內(nèi)部加熱層與外部加熱系統(tǒng)連接，對(duì)復(fù)合材料層用模溫機(jī)進(jìn)行后固化。后固化完成后，將帶有鋼結(jié)構(gòu)的PS面與SS面模具通過液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接起來(lái)（為保證葉片合模的前后緣的同步性以及葉片根部與尖部的同步升降，防止鋼架以及模具的扭曲，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)角度誤差應(yīng)該控制在2°以內(nèi)）。在對(duì)模具的標(biāo)高以及型面進(jìn)行全面綜合性能的檢測(cè)。

3 結(jié)論

3.1 葉片模具設(shè)計(jì)要控制葉片模具鋼架的強(qiáng)度，穩(wěn)定性，為防止模具的形變，鋼架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該控制在一定是的范圍之內(nèi)，且變形越小越好。

3.2 葉片模具表面的光潔度應(yīng)該在800目左右，以至于在生產(chǎn)葉片時(shí)容易脫模，減少生產(chǎn)過程中模具損傷，保證葉片表面狀態(tài)。

3.3 模具復(fù)合材料層灌注樹脂應(yīng)該選用收縮率低于0.05%，且Tg值高于葉片本體，具有記號(hào)的力學(xué)性能的環(huán)氧樹脂，以保證模具的形變；

3.4 模具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)同步角度誤差應(yīng)該控制在2°以內(nèi)，以保證模具和鋼架安全性。

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作者簡(jiǎn)介：

陶生金（1982-），男，江蘇連云港人，本科，工程師。研究方向：主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)研發(fā)工作

何明（1977-），男，江蘇連云港人，本科，工程師。研究方向：主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)研發(fā)工作

林濤（1984-），男，江蘇連云港人，本科，工程師。研究方向：主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)研發(fā)工作