風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒參數(shù)化設(shè)計(jì)

楊文珺，陳小軍，劉 浩 ，王小建，劉 婷

(1.湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411102；2. 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411102)

0 引言

近兩年來(lái)，國(guó)內(nèi)外風(fēng)電產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的機(jī)型越來(lái)越多，對(duì)其質(zhì)量要求也越來(lái)越高。受國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)搶裝潮的影響，交貨期非常短。面對(duì)這種市場(chǎng)現(xiàn)況，如何能滿足用戶的多樣化需求，又在保障風(fēng)電機(jī)組質(zhì)量的前提下降低成本并按期交貨，是每個(gè)主機(jī)廠家面臨的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

產(chǎn)品的通用化、系列化、模塊化(通常稱為“三化”)的標(biāo)準(zhǔn)化工作高級(jí)形式，是解決主機(jī)廠家質(zhì)量、成本、交貨期魔鬼三角的有效途徑。通過(guò)“三化”設(shè)計(jì)，可以以最少的品種規(guī)格、最少的工作量及人力滿足最多的需求，從而達(dá)到提高技術(shù)質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、縮短交貨周期、提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和用戶滿意度的目的[1]。

由于受風(fēng)電場(chǎng)的地理環(huán)境、氣象資源、沿途道路、用戶需求等因素的影響，不同風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒通常須定制化設(shè)計(jì)，從而形成一系列的塔筒，這些塔筒結(jié)構(gòu)類似，只是某些幾何參數(shù)不一樣[2]。因此湘電風(fēng)能有限公司在塔筒系列化設(shè)計(jì)中引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)理念，以提高塔筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化水平，從而提高工作效率。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)原理

參數(shù)化設(shè)計(jì)是新一代智能化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)的熱門手段之一，其基本思想是對(duì)于結(jié)構(gòu)類似但規(guī)格不同的產(chǎn)品，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)的差別僅在于特定的若干關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的選擇，通過(guò)改動(dòng)圖形的某一部分或某幾部分的尺寸，或修改已定義好的零件參數(shù)，自動(dòng)完成對(duì)圖形中相關(guān)部分的改動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的驅(qū)動(dòng)[3]。章雙全等[4]利用SolidWorks豐富的API函數(shù)接口，采用Visual Basic對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，生成風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)程序，從而實(shí)現(xiàn)塔筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)化自動(dòng)建模，有效減少了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)工作量。

參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)的方式可以大大提高零部件設(shè)計(jì)和修改的速度，在產(chǎn)品的系列設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)等方面都具有較大的應(yīng)用價(jià)值。參數(shù)化設(shè)計(jì)記錄了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程，能設(shè)計(jì)出一系列而非單一的在形狀和功能上具有相似性的產(chǎn)品或零件，同一系列產(chǎn)品的第二次設(shè)計(jì)可直接通過(guò)修改第一次設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而縮短產(chǎn)品的整個(gè)開(kāi)發(fā)周期。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1 塔筒參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒參數(shù)化設(shè)計(jì)常用的方法有兩種：模塊法和程序法。模塊法是將不同機(jī)型或項(xiàng)目的同類零部件設(shè)置成多個(gè)模塊，每個(gè)零部件都設(shè)置多個(gè)模塊，塔筒總成裝配時(shí)根據(jù)實(shí)際要求選擇各個(gè)模塊進(jìn)行組裝。程序法是利用程序創(chuàng)建零部件，這種方法需要將零部件的所有尺寸設(shè)置成全局變量。

我們對(duì)系列塔筒的結(jié)構(gòu)及構(gòu)成零部件進(jìn)行了梳理和分析，塔筒主體結(jié)構(gòu)一般包括基礎(chǔ)段、底段、二段、三段、四段、頂段塔筒等幾大部分，如圖1所示。塔筒的部分零部件如高強(qiáng)度螺栓、法蘭接地零部件等經(jīng)整理已經(jīng)設(shè)計(jì)成通用件，建立了塔筒通用件庫(kù)，筒體、平臺(tái)、內(nèi)附件等零部件可進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。如果我們只選取模塊法，塔筒筒體等部分零部件無(wú)法實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，而塔筒總成中零部件的所有尺寸很難整理完整；而程序法也不能完全適用于塔筒所有零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒參數(shù)化設(shè)計(jì)采用模塊法與程序法相結(jié)合的方法。

圖1 塔筒主體結(jié)構(gòu)框圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒參數(shù)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于無(wú)論采用何種方法都要將需要修改的尺寸設(shè)置成全局變量，其他相關(guān)尺寸根據(jù)邏輯關(guān)系與全局變量尺寸建立相應(yīng)的方程式。在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同機(jī)型或項(xiàng)目對(duì)全局變量參數(shù)創(chuàng)建好參數(shù)表格，完成全局變量參數(shù)修改，就能實(shí)現(xiàn)各個(gè)零部件及塔筒總成的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2.2 塔筒主體參數(shù)化設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的一般設(shè)計(jì)程序?yàn)榫C合風(fēng)機(jī)的功率、風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源數(shù)據(jù)、葉片的翼型、傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)形式、機(jī)艙輪轂等總重量等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)載荷計(jì)算與工程算法得到塔筒的主體參數(shù)，如塔筒的段數(shù)、高度、直徑、壁厚等。由于每個(gè)機(jī)型或項(xiàng)目筒體的外形尺寸會(huì)發(fā)生變化，因此須將這些尺寸設(shè)置成全局變量。

塔筒主體參數(shù)化設(shè)計(jì)中，每段塔筒節(jié)數(shù)等并不能確定，很難對(duì)所有外形建立模塊，因此不能采用模塊法；而通過(guò)工程算法計(jì)算后能夠得到筒體主體的所有尺寸，所以程序法會(huì)更適用于塔筒主體參數(shù)化設(shè)計(jì)。利用SolidWorks中的設(shè)計(jì)表格，將基本外形尺寸參數(shù)與Excel設(shè)計(jì)表相關(guān)聯(lián)，通過(guò)更改設(shè)計(jì)表中的尺寸參數(shù)實(shí)現(xiàn)塔筒主體的參數(shù)化設(shè)計(jì)，大大縮短了塔筒主體圖紙的生成時(shí)間。塔筒主體參數(shù)化設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 塔筒主體參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.3 塔筒平臺(tái)附件參數(shù)化設(shè)計(jì)

塔筒內(nèi)部附件設(shè)計(jì)構(gòu)造看似多而雜，其實(shí)布置原理基本一致，同種功率機(jī)型的塔筒內(nèi)附件設(shè)計(jì)相差不大。按照一定裝配規(guī)律，利用原始驅(qū)動(dòng)尺寸來(lái)驅(qū)動(dòng)其他變化的尺寸，產(chǎn)生一系列的平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

塔筒平臺(tái)參數(shù)化設(shè)計(jì)中，整理所有尺寸參數(shù)難度很大，因此不適合采用程序法；而同種機(jī)型塔筒平臺(tái)相差不大，因此可以采用模塊法將常用平臺(tái)設(shè)置成不同模塊會(huì)更智能。在平臺(tái)模塊中只需將平臺(tái)直徑設(shè)置為全局變量，根據(jù)邏輯關(guān)系與筒體外徑、壁厚等原始尺寸建立方程式，如塔筒某段平臺(tái)裝配水平軸塔筒外徑為L(zhǎng)、壁厚為h，根據(jù)邏輯關(guān)系可以得到平臺(tái)外徑L平臺(tái)=(L/2-h-15)×2。螺栓孔數(shù)、物料口等開(kāi)口尺寸、平臺(tái)梁尺寸等根據(jù)需求與全局變量建立相應(yīng)的方程式，跟隨全局變量的改變而發(fā)生相應(yīng)的改變。塔筒平臺(tái)附件參數(shù)化設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.4 塔筒其他內(nèi)附件參數(shù)化設(shè)計(jì)

塔筒除了平臺(tái)之外的其他內(nèi)附件數(shù)量較多，裝配邏輯關(guān)系較為繁瑣，因此在參數(shù)化設(shè)計(jì)中最好的應(yīng)對(duì)方法是盡可能將這些內(nèi)附件設(shè)計(jì)成類標(biāo)準(zhǔn)件。塔筒內(nèi)附件基本可分為兩種，一種是外形尺寸參數(shù)完全確定的內(nèi)附件，另一種是某個(gè)或者某幾個(gè)尺寸參數(shù)需變化的內(nèi)附件。塔筒內(nèi)附件參數(shù)化設(shè)計(jì)如圖4所示。

外形尺寸參數(shù)完全確定的內(nèi)附件，如滅火器支架、主電纜夾等，將其不同機(jī)型下的各種形式設(shè)置成多個(gè)模塊，每個(gè)模塊其外形參數(shù)完全確定，只需將其安裝要素設(shè)置成全局變量。在塔筒中類標(biāo)準(zhǔn)件的安裝要素包括安裝圓的直徑、安裝基準(zhǔn)面角度、安裝高度等。因此將這類內(nèi)附件與塔筒焊接體的安裝邏輯關(guān)系梳理好就能完成它們的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

圖3 塔筒平臺(tái)附件參數(shù)化設(shè)計(jì)

某個(gè)或者某幾個(gè)尺寸參數(shù)需變化的內(nèi)附件，如各段爬梯、照明電纜走線架等，其需在安裝要素設(shè)置成全局變量的基礎(chǔ)上再將變化的尺寸參數(shù)也設(shè)置成全局變量。這類內(nèi)附件還需注意在安裝時(shí)其裝配體下的某個(gè)零件和塔筒主體的關(guān)聯(lián)尺寸和要求，所以這類內(nèi)附件在參數(shù)化設(shè)計(jì)之后還需人為地去進(jìn)行檢查及修改。

圖4 塔筒內(nèi)附件參數(shù)化設(shè)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

湘電風(fēng)能有限公司在進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)的前提下，在塔筒設(shè)計(jì)中應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)，規(guī)范了塔筒設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)方法，結(jié)合模塊化的設(shè)計(jì)方法，形成塔筒的系列化，極大地提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的速度和質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，拓展了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路，為風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品的優(yōu)化升級(jí)或再開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了高效的便捷性和可操作性，也為提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)化水平提供了新的思路。