大型風(fēng)電葉片模具翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

石鵬飛

(三一重能有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引 言

大型風(fēng)電葉片氣動(dòng)外形由葉片模具保證，而葉片模具的合模位置控制及平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)直接關(guān)系到葉片模具的操作安全與葉片制造精度。作為大型風(fēng)電葉片模具關(guān)鍵技術(shù)之一的翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)定位的準(zhǔn)確、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)是葉片生產(chǎn)制造成功的保證。王宗偉[1]對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的分析和優(yōu)化，樂(lè)韻斐等[2]通過(guò)MATLAB優(yōu)化工具箱對(duì)風(fēng)電葉片模具液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片模具液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，為液壓控制系統(tǒng)和電控部分的設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。馮消冰等[3]從機(jī)械、液壓、電氣三個(gè)方面介紹一種全液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)優(yōu)化控制，孫后環(huán)等[4]設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)架同步控制系統(tǒng)和算法，劉冰等[5]通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)液壓、電氣系統(tǒng)，應(yīng)用PID控制策略，極大改善了多翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的葉片模具翻轉(zhuǎn)過(guò)程的平穩(wěn)性和同步性。

主要從多翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位置分布對(duì)模具的形變影響、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與載荷分析提供翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想及優(yōu)化布置，為大型風(fēng)電葉片模具的平穩(wěn)運(yùn)行提供理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

1 翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制原理

風(fēng)電葉片模具液壓電氣控制系統(tǒng)原理如圖1所示。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與拔銷機(jī)構(gòu)數(shù)量相同，且每一個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配備一個(gè)拔銷機(jī)構(gòu)，數(shù)量≥2。鎖緊機(jī)構(gòu)及頂升機(jī)構(gòu)數(shù)量根據(jù)風(fēng)電葉片模具的長(zhǎng)度、截面數(shù)量、帶載頂升重量有關(guān)，一般情況下，頂升機(jī)構(gòu)的數(shù)量≥4×翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的數(shù)量，且前緣、后緣對(duì)稱布置。

圖1 風(fēng)電葉片模具液壓電氣控制系統(tǒng)原理圖

開模動(dòng)作實(shí)現(xiàn)：控制器通過(guò)液壓站執(zhí)行鎖緊機(jī)構(gòu)解鎖，然后控制頂升機(jī)構(gòu)上升，行程開關(guān)檢測(cè)頂升到位即可執(zhí)行拔銷機(jī)構(gòu)上升動(dòng)作，拔銷機(jī)構(gòu)行程開關(guān)檢測(cè)拔銷頂升到位以后，開始執(zhí)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，實(shí)時(shí)檢測(cè)翻轉(zhuǎn)油缸壓力、各翻轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)角度，控制翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行，直至翻轉(zhuǎn)到位(設(shè)定翻轉(zhuǎn)體角度讀數(shù)為90°)。

合模動(dòng)作實(shí)現(xiàn)：拔銷機(jī)構(gòu)行程開關(guān)檢測(cè)頂升到位，控制器通過(guò)液壓站執(zhí)行翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)合模翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，實(shí)時(shí)檢測(cè)翻轉(zhuǎn)油缸壓力、各翻轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)角度，控制翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)至270°。拔銷油缸無(wú)桿腔開始泄壓，行程開關(guān)檢測(cè)到拔銷油缸活塞桿下落到位后，頂升油缸無(wú)桿腔開始泄壓下落，直至頂升油缸下行到位。鎖緊機(jī)構(gòu)執(zhí)行鎖緊動(dòng)作，鎖緊油缸壓力升至設(shè)定值20 MPa，鎖緊到位。

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分布位置

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位置布置對(duì)每套翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的承載、上殼體模具的變形有很大影響。以某型號(hào)風(fēng)電葉片模具為例，如圖2所示。

圖2 風(fēng)電葉片模具組成示意圖

上、下殼體模具由三個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)共同承載實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)的位置示意圖如圖3所示，1、2、3號(hào)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐點(diǎn)分別為A、B、C點(diǎn)，上殼體模具重心位置為D點(diǎn)。

圖3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐示意圖

2.1 超靜定求解上殼體模具變形

根據(jù)圖3，解除支座A，把工件看成是外伸梁CBA，在形式上靜定。支座A處等效添加反作用力，載荷包括重力G和多余未知力RA。如圖4所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐示意簡(jiǎn)化圖一

在重力G單獨(dú)作用下，求出截面B的轉(zhuǎn)角為：

(1)

由此引起截面A的向上撓度為：

(fA)G=l1θB1

(2)

重力G單獨(dú)作用下，截面B轉(zhuǎn)角、截面A向上撓度如圖5所示。

圖5 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐變形簡(jiǎn)圖1

RA單獨(dú)作用時(shí)，求出截面B的轉(zhuǎn)角為：

(3)

把AB部分看成是整體轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)θB2角的懸臂梁，求出截面A的撓度為：

(4)

RA單獨(dú)作用下，截面B轉(zhuǎn)角、截面A向上撓度如圖6所示。

圖6 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐變形簡(jiǎn)圖2

疊加(fA)G與(fA)RA得到截面A的撓度。但截面A為鉸支座，不應(yīng)有垂直位移。于是得到變形協(xié)調(diào)方程：

(fA)G+(fA)RA=0

(5)

綜合式(1)～(5)，可解出：

(6)

2.2 三點(diǎn)支撐力載荷計(jì)算

根據(jù)三鉸點(diǎn)支撐分析上殼體模具載荷，如圖7所示。

圖7 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐示意簡(jiǎn)化圖2

根據(jù)力與力矩平衡列出方程組：

(7)

根據(jù)式(7)求得：

(8)

該實(shí)例中，l1=11.68 m；l2=2.4 m；l3=20.2 m；G=320 000 N，結(jié)合式(6)與式(8)求得：

(9)

根據(jù)式(9)可知，2號(hào)翻轉(zhuǎn)臂承受載荷最大。以L2為變量，代入上述實(shí)例值，求得：

(10)

L2值取為0時(shí)：

L2取值為2.4時(shí)：

由上可知：點(diǎn)A、D、C位置不變，L2值為0時(shí)，即2號(hào)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與上殼體模具重心位置重合，RA、RB、RC取得最小值，三組翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)承載最小，單獨(dú)重力作用下上殼體模具的變形最小，位置示意圖如圖8所示。

圖8 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐位置優(yōu)化分布示意圖1

圖8中L5為圖3中L1和L2之和。以上殼體模具重心G為分割點(diǎn)將上殼體模具切斷，取后半段DCE分析載荷，同理，當(dāng)后半段DCE重心G1位置與3號(hào)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐點(diǎn)C點(diǎn)重合時(shí)，即L7等于L3，單獨(dú)重力作用下的上殼體模具尾端變形最小，位置示意圖如圖9所示。

圖9 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐位置優(yōu)化分布示意圖2

同理，當(dāng)前半段DAF重心G2位置與1號(hào)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐點(diǎn)A點(diǎn)重合時(shí)，上殼體模具首端變形最小。

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及載荷分析

3.1 翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)合模狀態(tài)下準(zhǔn)備開模翻轉(zhuǎn)時(shí)，拔銷油缸頂升到位，此時(shí)翻轉(zhuǎn)油缸有桿腔泄壓，無(wú)桿腔準(zhǔn)備進(jìn)油，開模初始狀態(tài)如圖10所示。

此時(shí)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)體角度傳感器設(shè)定角度為270°，以旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，畫出翻轉(zhuǎn)體上兩個(gè)油缸連接軸的翻轉(zhuǎn)軌跡如圖10虛線圓所示，兩個(gè)連接軸的初始夾角為θ。執(zhí)行開模動(dòng)作，兩個(gè)翻轉(zhuǎn)油缸無(wú)桿腔進(jìn)油，活塞桿頂升，旋轉(zhuǎn)至第一個(gè)死點(diǎn)位置，旋轉(zhuǎn)角度為α，此時(shí)1號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸換向，2號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸繼續(xù)頂升。旋轉(zhuǎn)至第二個(gè)死點(diǎn)位置，與第一個(gè)死點(diǎn)位置夾角為β，2號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸換向，1號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸繼續(xù)下降，翻轉(zhuǎn)及死點(diǎn)位置示意圖如圖11所示，該實(shí)例中θ、α、β均為50°，翻轉(zhuǎn)體翻轉(zhuǎn)到位后傳感器角度為90°。

圖10翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開模初始狀態(tài)示意圖 圖11翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置示意圖1.支撐體 2.翻轉(zhuǎn)體 3.1號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸 4.2號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸

3.2 載荷分析

上殼體模具施加在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的載荷為力矩M=G×L，力臂長(zhǎng)度為L(zhǎng)。即六個(gè)翻轉(zhuǎn)油壓缸承受總載荷M，根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為三個(gè)階段：

(1) 執(zhí)行開?！?號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸換向

運(yùn)動(dòng)第一階段每個(gè)翻轉(zhuǎn)油缸均為頂升運(yùn)動(dòng)，即活塞桿伸出，速度V為正值。分析1號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸力臂為油缸伸縮速度V、時(shí)間t的函數(shù)，計(jì)算圖示如圖12。

鉸點(diǎn)OH、OJ為固定值，油缸長(zhǎng)度lHJ為隨運(yùn)動(dòng)過(guò)程變化的長(zhǎng)度變量：

lHJ=HJ+V×t

(11)

式中：HJ為1號(hào)油缸初始長(zhǎng)度，V為油缸伸縮速度，t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間。根據(jù)三角形△OHJ余弦定理可求得：

δ=arccos[(OJ2+lHJ2-OH2)/2·OJ·lHJ]

(12)

根據(jù)直角三角形△OIJ正弦定理可求得1號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸力臂長(zhǎng)度為：

lOI=OJ·sinδ

(13)

2號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸力臂計(jì)算圖示如圖13所示，同理可求得：

(14)

根據(jù)力矩平衡求解三組翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)油缸載荷：

F1·lOI+F2·lOK=M/3

(15)

式中：F1為1號(hào)油缸載荷；F2為2號(hào)油缸載荷。

翻轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)α角度進(jìn)入第一個(gè)死點(diǎn)位置，此時(shí)1號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸不提供載荷，即F1為0，2號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸繼續(xù)頂升，此時(shí)2號(hào)油缸承受極限載荷，根據(jù)式(15)可得：

F2max·lOK=M/3

(16)

圖12 1號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸計(jì) 圖13 2號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸 算簡(jiǎn)圖 計(jì)算簡(jiǎn)圖

(2) 1號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸換向→2號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸換向

通過(guò)第一個(gè)死點(diǎn)位置之后，1號(hào)油缸下降，即活塞桿縮回，速度V為負(fù)值。2號(hào)油缸繼續(xù)頂升。翻轉(zhuǎn)體繼續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)β角度進(jìn)入第二個(gè)死點(diǎn)位置，此時(shí)2號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸不提供載荷，即F2為0，1號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸繼續(xù)下降，承受極限載荷。根據(jù)式(15)可得：

F1max·lOI=M/3

(17)

(3) 2號(hào)翻轉(zhuǎn)油缸換向→結(jié)束開模

通過(guò)第二個(gè)死點(diǎn)位置之后，兩個(gè)翻轉(zhuǎn)油缸均為下降運(yùn)動(dòng)，即活塞桿縮回，速度V為負(fù)值。一起承受上殼體模具載荷。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)油缸載荷參考式(15)。

綜合翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，各翻轉(zhuǎn)油缸載荷計(jì)算如下(設(shè)定翻轉(zhuǎn)體角度傳感器檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度值為γ)：

(18)

該實(shí)例中上殼體模具力臂L長(zhǎng)度為2 m，第一個(gè)死點(diǎn)位置時(shí)，lOK=265 mm，第二個(gè)死點(diǎn)位置時(shí)，lOI=265 mm。代入式(18)可求得：

(19)

翻轉(zhuǎn)體與支撐體旋轉(zhuǎn)連接軸載荷可根據(jù)力的平衡公式求得：

(20)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)油缸連接銷軸通過(guò)式(18)載荷進(jìn)行計(jì)算校核，翻轉(zhuǎn)體與支撐體旋轉(zhuǎn)連接軸通過(guò)式(20)載荷進(jìn)行計(jì)算校核。

4 結(jié) 論

(1) 分析大型風(fēng)電葉片模具翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制原理，通過(guò)計(jì)算翻轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)位置對(duì)載荷分布、上殼體模具變形的影響，合理分配翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐點(diǎn)位置。

(2) 根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程計(jì)算翻轉(zhuǎn)油缸載荷，理論推導(dǎo)翻轉(zhuǎn)油缸及各連接軸載荷計(jì)算公式，為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，同時(shí)為各鉸點(diǎn)進(jìn)一步優(yōu)化提供基礎(chǔ)。