風力發(fā)電葉片分段模具設(shè)計制作

保積佑

[摘? ? 要]文章總結(jié)大型復(fù)合材料風電葉片模具設(shè)計制作方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，闡述復(fù)合材料風電葉片分段模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)，討論風電葉片模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造過程中應(yīng)該注意的一些問題。

[關(guān)鍵詞]風電葉片;模具;分段設(shè)計;加熱

[中圖分類號]TM614 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–00–02

Design and Manufacture of Sectional Die for Wind Turbine Blade

Bao Ji-you

[Abstract]This paper summarizes the structural design experience in the design and manufacture of large composite wind turbine blade mold， expounds the structural design and manufacturing technology of composite wind turbine blade segment mold in detail， and discusses some problems that should be paid attention to in the structural design and manufacture of wind turbine blade mold.

[Keywords]wind turbine blade; mould; sectional design; heating

1 葉片分段模具設(shè)計內(nèi)容

在某個截面型面保持不變，作為分段模具固定的模具部分，其他部分可以做多種型面設(shè)計，分段型面必須與固定模具截面型面保持一致，這個是分段模具制作的基礎(chǔ)。在分段模具設(shè)計制作方面總共分為4個部分：①葉片模具分段位置鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計制作;②葉片模具陽模分段位置結(jié)構(gòu)設(shè)計制作;③葉片模具分段位置結(jié)構(gòu)設(shè)計制作;④葉片模具分段位置加熱方式設(shè)計。

2 葉片模具分段位置鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計制作

由于模具為分段結(jié)構(gòu)可相互可拆卸，所以模具的鋼架也必然需要設(shè)計成可拆卸鋼架。在分段位置鋼架與鋼架之間為了保證兩段模具型面殼體拼接準確，需要在兩部分鋼架的端面焊接金屬法蘭，焊接時候相對位置要求準確，即金屬法蘭到鋼架邊緣距離、金屬法蘭到模具型面殼體法蘭邊距離、金屬法蘭自身的垂直度、配孔的位置等均需要一致。這樣可以保證兩段模具的相對位置，保證每個模具安裝時的法蘭孔準確以及分段處兩段型面殼體吻合。壓力面模具由于制作葉片時需要翻轉(zhuǎn)，所以鋼架上金屬法蘭連接采用多塊法蘭鋼板或強度、厚度更高的法蘭鋼板，吸力面因為在制作葉片時相對位置固定，連接結(jié)構(gòu)保證型面殼體的收縮變形即可，兩段模具可直接采用金屬法蘭進行連接。每塊金屬法蘭板配孔若干個，采用螺栓連接。連接法蘭、螺栓規(guī)格、螺栓數(shù)量等根據(jù)葉片重量進行計算確定。

3 葉片模具陽模分段設(shè)計制作

陽模設(shè)計的變更分為2種情況：①制作首套模具，這種方法不需要葉尖拆卸，翻模即可使用;②分別制作可更換的葉尖部分模具或葉身部分的模具。無論是哪種情況，陽模均設(shè)計成分段陽模，且陽模主體結(jié)構(gòu)不變。首片制作時，陽模的葉身和葉尖之間連接可以采用底面鋼架焊接或者法蘭螺栓連接的形式。后續(xù)分段制作葉尖、葉身模具時，可以不需要考慮葉身和葉尖模具一體脫模的問題，割開陽模底面鋼架連接，分段制作即可。

3.1 陽模主體設(shè)計制作

陽模主體部分制作時，需要考慮到陰模拼縫處的密封問題、拼縫處的連接問題、拼縫處的加熱問題等。型面過渡部分高度為6～7 mm，過渡長度約300 mm，作用為陰模脫模后，表面灌注拼縫增強布層且保持軸向錯層。這樣設(shè)計省去了傳統(tǒng)方法陰模拼接后，需要打磨陰模表面膠衣、布層及錯層，清理表面等工序。僅需要在做陰模時，過渡面不涂覆膠衣，待陰模脫模后，打磨清理表面，表面按照錯層要求灌注加強層，固化后打磨表面，涂覆膠衣即可。節(jié)省打磨工序，拼縫處密封性能好。陰模密封加熱槽口設(shè)計為陽模一個45°斜角的突臺，高度約20 mm。這樣設(shè)計陰模拼接完成后就會形成一個槽口，這個槽口可以進行拼縫處的密封、加熱絲的布設(shè)等操作。為后續(xù)的改動、切割均留下了足夠的空間。

制作首套時的陽模設(shè)計，由于葉尖模具無須拆卸，與葉身模具一體。所以不需要考慮模具拼接的問題。故，設(shè)計時考慮到葉身和葉尖陰模一體脫模，減少工序。設(shè)計在陽模主體拼接完成的前提下，在拼縫突臺上黏接一塊金屬板作為特制法蘭。此特制法蘭作為葉身模具和葉尖模具的拼縫。特制法蘭兩側(cè)平面則作為分段模具在拼縫處的法蘭。突臺平面寬度為8 mm，特制法蘭為線切割，型面與拼縫處型面一致，厚度為4 mm，兩側(cè)邊分別粘有2 mm的橡膠密封墊板，這樣特制法蘭與陽模突臺可以吻合。法蘭上開孔作為分段模具陰模殼體玻璃鋼法蘭處的連接。首片制作時，特制法蘭和陽模突臺之間采用膩子、結(jié)構(gòu)膠等虛粘在一起，陽模突臺表面需要涂覆脫模劑，避免粘膜。特制法蘭粘接時候確保型面對齊，法蘭垂直，灌注時保證氣密性。制作陰模時，特制法蘭兩側(cè)為葉身陰模、葉尖陰模的玻璃鋼法蘭的制作依托。在鋼架法蘭配孔連接完成后，通過特制法蘭上的孔，使用螺栓，將葉尖陰模玻璃鋼部分和葉身陰模玻璃鋼部分連接在一起。該玻璃鋼法蘭的連接在起到提高強度的同時，還增加了玻璃鋼拼縫處的密封效果。由于特制法蘭為虛粘，陰模鋼架連接完成后翻模。特制法蘭便作為模具連接處的一部分隨陰模一起脫模。省去了分段模具葉尖和葉身拼接的工序。后續(xù)處理為拼縫處凹槽結(jié)構(gòu)膠密封、拼縫處布設(shè)加熱絲視情況、模具表面灌注拼縫加強層、表面做膠衣、型面檢測、水磨拋光等完成了陰模主體制作。

3.2 拼接部分設(shè)計制作

分段制作葉尖或葉身模具時，首套模具完成后，需要配套不同葉身或葉尖模具。因這些模具分開制作，所以不需要考慮陽模連接問題。之前提到的特制法蘭的金屬板和橡膠圈總厚度為8 mm，所以后續(xù)拆卸拼接時候，陰模殼體連接的玻璃鋼法蘭拼縫間隙就為8 mm。在制作主體陽模時候已經(jīng)考慮到這一問題，即截面處的陽模主體突臺，葉身陽模和葉尖陽模突臺寬度均為4 mm。因此，在分段模具制作時，僅需要在陽模的突臺上粘接4 mm后的金屬法蘭作為線切割，該法蘭作為玻璃鋼連接的間隙和陰模制作玻璃鋼法蘭的依托。金屬法蘭粘接時，需要粘接牢固，保證法蘭的垂直度和法蘭的氣密性。在金屬法蘭黏接完成后，測試垂直度符合要求，然后將金屬法蘭通過焊接C形工裝使之與陽模鋼架連接。

4 葉片分段模具位置結(jié)構(gòu)設(shè)計制作

4.1 分段模具型面殼體設(shè)計制作

制作模具表面時陽模在分段位置表面不需要滾涂膠衣，此膠衣層會在模具表面拼縫增強布操作完成后，再補做膠衣層，模具殼體灌注完成即可在殼體上放置模具鋼架，然后在分段拼接縫處鋼架上安裝連接法蘭。在鋼架法蘭連接完成后，進行玻璃鋼法蘭的螺栓連接，在模具殼體底面的鋼架連接及玻璃鋼位置的連接在型面殼體不脫模的情況下即可完成。這種做法分段模具型面配合更加準確且節(jié)約工序。分段型面玻璃鋼螺栓連接，連接法蘭表面的增加橡膠密封圈，保證分段位置能達到生產(chǎn)葉片的真空要求。

在玻璃鋼法蘭連接完成后需要在玻璃鋼連接縫隙表面刮涂膩子，并使用硅膠密封。陰模脫模后打磨粗糙過渡表面，并在對接處制作20 mm深的凹槽，在對接時可以在凹槽位置刮涂一層結(jié)構(gòu)膠起到拼縫密封作用。根據(jù)實際情況選擇在凹槽膠粘劑中10 mm深度左右位置增加加熱絲，如果拼縫處加熱滿足要求，可以不在凹槽位置布設(shè)加熱絲。

等密封凹槽縫隙結(jié)構(gòu)膠固化后打磨清理結(jié)構(gòu)膠表面，然后在模具分段拼縫的過渡表面灌注5層模具四軸布，第一層布寬為100 mm，以后每層布寬度比上一層大100 mm，布層鋪放以拼縫為中心。設(shè)計模具拼縫兩側(cè)過渡面長度各為300 mm，最后一塊布層寬度600 mm，覆蓋住過渡區(qū)即可進行灌注固化。增強布層固化完成后，打磨布層表面，清理干凈后在過渡區(qū)域表面補做膠衣層，膠衣層厚度控制在0.5 mm左右。待膠衣層固化后，水磨膠衣層表面達到要求。使用激光跟蹤儀掃描檢測型面，對型面修整，在型面修整工作完成后，對分段拼縫區(qū)域進行模具保壓測試和模具加熱性能測試。這樣就完成了模具連接部分的結(jié)構(gòu)處理制作。

4.2 分段模具拆分組裝方法

分段模具制作完成后，可拆卸原有模具和進行更換新模具。將原有的模具分段拼縫區(qū)域的鋼架割開、拆卸掉鋼架法蘭的螺栓、拆卸玻璃鋼法蘭的螺栓。表面處理為：①找到模具拼縫、打磨掉模具膠衣、打磨掉拼縫增強層露出結(jié)構(gòu)膠層;②沿結(jié)構(gòu)膠中心切開模具約寬8 mm深20 mm凹槽。在切開膠粘劑層后，由于底面玻璃鋼法蘭螺栓已經(jīng)拆卸，此時即可分開兩段模具。

在分開兩段模具后，需要打磨掉拼縫凹槽處的結(jié)構(gòu)膠、過渡位置的玻璃鋼增強層，清理干凈表面。便于后續(xù)葉尖模具拼接時候的結(jié)構(gòu)膠密封及拼縫增強布的操作。過渡位置處理完成后可以更換新的模具，在鋼架法蘭制作時根據(jù)拼縫為參照，保證在對接新的模具時可以直接進行鋼架法蘭螺栓連接，連接時可以采用定位銷進行導向定位。

在模具鋼架法蘭連接完成后，確保殼體型面符合要求，然后進行陰模玻璃鋼法蘭的連接。模具玻璃鋼法蘭表面事先安裝橡膠密封墊板，橡膠墊圈表面需要適當涂密封硅膠，以防止螺栓及法蘭邊緣漏氣，處理完成后根據(jù)模具玻璃鋼法蘭上的螺栓孔對墊圈和對接模具玻璃鋼法蘭進行配孔。最后進行玻璃鋼法蘭的連接、對接法蘭邊緣縫隙刮涂膩子、涂密封硅膠等操作。

模具表面拼縫處理與之前提到的處理方式一致，涂結(jié)構(gòu)膠密封、布設(shè)加熱絲拼縫增強布層、打磨處理、制作膠衣層、水磨拋光、型面檢測、密封及模具導熱檢查等。

5 模具分段位置加熱方式設(shè)計

加熱系統(tǒng)整體思路為進行兩部分相對獨立的加熱系統(tǒng)，當需要組合時可以連接溫控箱電源將兩部分實現(xiàn)整體加熱。由于模具為分段式，如果采用常規(guī)的從葉根開始往葉尖布置布線方式會有接縫處出現(xiàn)拉斜、余線等問題，并且最后一條線與接縫的距離不好把握。為了避免這種弊端，將布線方式改為以接縫處作為布線起點分別往葉根和葉尖布置，當葉尖作為獨立部分進行布線，如果加熱絲布置到尖部還有余線時，可剪掉多余的線，但是在調(diào)試時該區(qū)應(yīng)增加調(diào)壓器以調(diào)整輸出功率。

經(jīng)過試驗測得，距離加熱絲邊緣，厚度為15～25 mm的結(jié)構(gòu)膠層，其導熱比正常的模具表面低2～3 ℃，這一偏差在合格要求范圍之內(nèi)，如在結(jié)構(gòu)膠中適當添加鐵粉或者鋁粉，結(jié)構(gòu)膠層的導熱會接近常規(guī)模具表面的傳熱標準，有二氧化硅可以適當在結(jié)構(gòu)膠中添加，以增加結(jié)構(gòu)膠的強度。常規(guī)方案制作模具后，模具拐角處加熱絲到拼縫處模具表面距離大概為30～35 mm。這種距離，如果按照模具制作完成后，加熱絲布置到拐角，則拼縫處加熱存在風險。所以有必要更改加熱體系，保障拼縫截面加熱。在陰模拼縫凹槽處布設(shè)加熱絲，加熱絲在結(jié)構(gòu)膠內(nèi)部，距離結(jié)構(gòu)膠表面10 mm，即距離陰模殼體表面約15 mm，經(jīng)試驗驗證，這個距離拼縫處加熱不存在風險。在加熱絲布設(shè)完成后，繼續(xù)完成結(jié)構(gòu)膠的刮涂、拼縫增強布層的灌注、模具表面膠衣制作等操作。

6 注意事項

制作時焊接鋼架法蘭要求法蘭垂直，這個是后續(xù)分段模具拼接的基礎(chǔ);拼接縫表面處理時，需要確保表面打磨粗糙，清理干凈，才能進行灌注布層、滾涂膠衣等操作;模具表面切割時，沿著拼接縫膠粘劑中心切割，以免傷害模具玻璃鋼層，定期對拼縫處表面和底面模具的氣密性、導熱進行檢驗。

7 結(jié)論

根據(jù)葉片的分段要求進行了模具的鋼架、模具結(jié)構(gòu)、模具加熱方式的設(shè)計和分析，表明了分段模具是行之有效的方法。節(jié)約模具制作成本和周期，節(jié)約制作多種不同葉形模具的成本和制作周期，節(jié)約模具的運輸成本和周期，同時大大提升模具的適用性。為模具設(shè)計和生產(chǎn)工藝提供了可靠依據(jù)。

參考文獻

[1] 李良君.風力發(fā)電葉片模具制造[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013，12（18）：92-93.

[2] 許蕾，薛浩鵬，蔣成益.大功率風電葉片模具分段設(shè)計[J].天津科技，2014，41（6）：41-43.