海洋風電塔筒卷板機研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張翔宇，雷步芳，李永堂，王小建，王魯軍

(1.太原科技大學 研究生院，山西 太原 030024；2.泰安華魯鍛壓機床有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

能源的匱乏是目前全球都面臨的問題，由于傳統(tǒng)能源的日益減少以及其對環(huán)境造成的污染，世界能源結(jié)構(gòu)正在進行調(diào)整，傳統(tǒng)能源將逐漸被風電、水電、核電和太陽能發(fā)電等新興能源所取代。風能作為一種可再生資源，它的儲量非常豐富，與傳統(tǒng)能源相比更易獲得、轉(zhuǎn)化，對環(huán)境造成的污染也相對較少。因此，新興能源中風電在世界能源結(jié)構(gòu)中將逐漸占據(jù)重要地位，我國也不例外。目前風電在我國正處于由替代電源向主力電源過渡的時期，風電將會成為我國能源結(jié)構(gòu)中的主力電源[1]。我國風能資源豐富，可用于開發(fā)利用的風能儲量約10億千瓦，其中，陸上風能儲量大約占四分之一，有2.53億千瓦，海上的風能儲量約7.5億千瓦。與內(nèi)陸風電相比，海洋風電風速更高，也可實現(xiàn)高速低速切變，還具有高產(chǎn)出、使用壽命長等特點。目前，對于海洋風電的開發(fā)利用也已經(jīng)成為國際風電發(fā)展的一個重要方向。就我國而言，海上的風能資源儲量大，特別是東南沿海一帶，風能發(fā)展前景廣闊。

風力發(fā)電設(shè)備需要借助支撐體將風力發(fā)電機高舉實現(xiàn)風能發(fā)電。圓筒形的風機塔筒支撐穩(wěn)定，各個方向分解乘風能力均衡，外型美觀，得到了廣泛認可。風電塔筒在風力發(fā)電機組中主要承擔支撐作用，是風力發(fā)電的塔桿，在支撐的同時吸收機組震動[2]。風電塔筒的制造工藝路線如下：首先在卷板機上下料，如果板料較厚則需要提前開坡口；在卷板機卷制成型后，開始點焊確定位置，確認好位置后焊接內(nèi)外縱縫；焊接好后做圓度檢查，若存在問題就要二次校圓；單節(jié)筒體焊接完成后，采用液壓組對滾輪架進行組對點焊，并焊接內(nèi)外環(huán)縫，檢查直線度等公差；最后焊接法蘭并對焊縫進行無損探傷和平面度檢查，做噴砂、噴漆處理，完成部件安裝，成品檢驗無誤后運輸至安裝現(xiàn)場。

在塔筒的整個生產(chǎn)制作過程中，卷板機的卷制精度對塔筒的成型有著重要的影響。為此，本文對海洋風電塔筒卷板機研究現(xiàn)狀進行了分析并對其發(fā)展趨勢進行了展望。

1 海洋風電塔筒卷板機發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)中低檔卷板機的制造廠家很多，但缺乏專用于生產(chǎn)制造高端海洋風電塔筒和海工樁筒專用卷板裝備的生產(chǎn)廠家。隨著我國數(shù)控機床行業(yè)的發(fā)展，船用卷板機、罐車用卷板機、核電用卷板機和其他領(lǐng)域卷板機的技術(shù)難題多被行業(yè)龍頭單位泰安華魯鍛壓攻克，但是在海洋風電專用高端卷板技術(shù)裝備領(lǐng)域國內(nèi)尚屬空白。

國內(nèi)傳統(tǒng)海洋風電專用卷板機均是在傳統(tǒng)卷板機上加一些簡單的附件，操作系統(tǒng)憑借老工人的經(jīng)驗進行手動操作，用其制造海洋風電塔筒和海工樁筒的產(chǎn)品精度差(圓度一般在8 mm)、生產(chǎn)效率低(一般為90 min一節(jié)筒體)，機床整機設(shè)計上無支撐系統(tǒng)，穩(wěn)定性差，卷制的筒體錯邊嚴重，工件卷制精度最好的水平才達到±8 mm，工件一次成型率不足30%；傳統(tǒng)的電機減速機主傳動系統(tǒng)極不安全可靠，附件和設(shè)備經(jīng)常發(fā)生故障，無法實現(xiàn)高端風電塔筒和海工樁筒的智能化生產(chǎn)。由于用于生產(chǎn)高端海洋風電塔筒和海工平臺樁筒的專用數(shù)控卷板機床成套裝備的研發(fā)涉及產(chǎn)品機型設(shè)計、機械、數(shù)字控制、液壓、力學、材料等多個綜合學科，其核心技術(shù)含量高、成套裝備制造難度大、研發(fā)投入大、工藝要求超高、工件使用的環(huán)境惡劣等原因，尤其是決定裝備水平的主傳動系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、板料自動對中及送料方式和高精度筒體錯邊在線糾正等關(guān)鍵技術(shù)一直無法突破，嚴重阻礙著該類高端裝備的創(chuàng)新發(fā)展，對此我國只能依賴進口。

國外最先進的生產(chǎn)海洋風電塔筒和海工樁筒專用卷制裝備的代表廠家有瑞士HAEUSLER、德國GRAEBENER、意大利FACCIN、瑞典ROUNDO和意大利SERTOM等，他們的產(chǎn)品制件精度和自動化程度高，工件卷制圓度能達到±4 mm，卷制效率達到50 min一節(jié)筒體，是國際領(lǐng)先水平。由于這些廠家對我國實行技術(shù)壟斷和價格壟斷，使我國的海工產(chǎn)品要承受高額的成本，嚴重制約著我國海洋風電、海上平臺等國家重點民用和國防工程的建設(shè)進程。

2 卷板機研制過程中的關(guān)鍵問題

2.1 卷板機的結(jié)構(gòu)問題

卷板機將板材卷制成筒體一般需要五個步驟：板材對中、端部預(yù)彎、連續(xù)卷制、末端預(yù)彎和最終合口[3]。其中板材對中在一定程度上影響了卷制精度，板材的回彈是卷制工藝中存在的主要問題，對卷制精度也會產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)實際生產(chǎn)情況的反饋，卷制過程中輥子和機架的變形是影響精度問題的主要因素，因此，研究卷板過程中工作輥和機架的變形機理與補償方案具有極為重要的意義。

卷板機的上輥主要受到板材彎曲時對它產(chǎn)生的反作用力，該力作用于豎直方向，這種受力形式與簡支梁相似，因此，在計算上輥受力時通常會將其簡化為簡支梁做近似計算。下輥作為卷板機的一個重要部件，在卷板過程中既要以自身軸線為旋轉(zhuǎn)軸帶動板材水平移動，還要配合上輥夾緊板材，承受上輥與板材帶來的壓緊力和重力[4]。在卷制過程中，上工作輥是完成卷板的核心部件，在受力較大時會產(chǎn)生撓變，使對鋼板產(chǎn)生的壓力分布不均，進而使卷制工件不能很好地合口，直線度和曲率達不到技術(shù)要求，直接影響工件的卷制質(zhì)量。要解決這個問題，就需要對工作輥進行撓度補償。通過簡支梁的近似計算，計算出卷板機上輥的撓度。在保證最大撓度的條件下，計算上輥的支反力，確定上輥受到的均布載荷。利用軟件模擬在此載荷作用下上輥的撓度分布得出撓曲變形量，在變形量過大的地方通過計算微調(diào)上輥形狀補償撓度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高產(chǎn)品卷制精度。

機架是卷板機的關(guān)鍵零部件之一，所承受的壓力比較大。卷板機機架的受力主要有兩部分，一是上輥下壓，二是卷板機在預(yù)彎時所產(chǎn)生的偏載負荷壓力。上輥下壓時，活塞和缸套制件螺栓與斜鍵產(chǎn)生的連接壓力給機架側(cè)面造成極大壓力，形成了橫向負荷壓力，在機架強度和剛度足夠的前提下，可以通過減小板厚使機架結(jié)構(gòu)處于最優(yōu)狀態(tài)，從而減輕機架重量，節(jié)省材料。

2.2 卷板機的上料問題

在卷板機卷制時通過傳輸帶自動上料，與傳統(tǒng)上料方式相比在效率、安全性方面有明顯的提升，自動送料方式的應(yīng)用對提高卷板機的自動化水平和卷制質(zhì)量是有幫助的。雖然目前國內(nèi)已經(jīng)成功實現(xiàn)卷板機與自動送料裝置成套化，可以完成自動取料、上料、對料、卷制、出料等連續(xù)性動作，但是這項技術(shù)并不成熟，仍存在諸如板材運輸不平穩(wěn)、組合結(jié)構(gòu)笨重等問題。而國外的卷板機是集自動送料、進料、卷制、出料于一體的，其獨有的液壓機械輥提升系統(tǒng)在一定程度上保證了卷制彎曲的精確性、可重復性。國外的卷板機也是通過將卷板機與自動送料設(shè)備結(jié)合在一起組成自動加工單元，通過送料平臺水平送料，并設(shè)有自動裝卸系統(tǒng)。國外的自動送料裝置結(jié)構(gòu)較為合理，選取伺服電機與氣缸相結(jié)合的運動方式，運行平穩(wěn)[5]。

2.3 國內(nèi)外對比

目前國內(nèi)用于制作海洋風電塔筒的上輥萬能式卷板機基本都存在卷制速度慢、效率低、卷制工作步驟繁瑣等缺點，并且該卷板機卷板時必須要一些起重設(shè)備比如行車等輔助操作，這無疑加大了操作難度，對操作該機器的工人技術(shù)水平要求提高，還使得工人的任務(wù)量增多、勞動強度增加。這種類型的卷板機采取的制動方式是電機減速機驅(qū)動，具有明顯的缺點，功率的損耗也比其他制動方式大。不僅如此，卷板機在卷制過程中由于卷筒直徑較大經(jīng)常會出現(xiàn)錯邊現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象后沒有有效的方法可以去除，只能多次返工，嚴重影響了塔筒的生產(chǎn)效率。

與國外專用卷板機相比，國內(nèi)采用的卷板機總體競爭力不足，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①從產(chǎn)品市場占有率來看，國產(chǎn)中占比較大的仍是一些中小型、低檔次的卷板機，由于國產(chǎn)卷板機自動化率低、技術(shù)水平有限，導致卷板柔性加工單元、數(shù)控卷板機的市場基本被國外產(chǎn)品占據(jù)；②國內(nèi)對于卷板成形過程的模擬、卷板機理以及建立數(shù)學模型等問題研究進展緩慢[6]；③現(xiàn)有的低速大扭矩液壓馬達和可直接耦合在工作輥軸端的大扭矩行星減速機等基礎(chǔ)件達不到卷板機的要求；④國內(nèi)的數(shù)控卷板系統(tǒng)與最先進的數(shù)控卷板系統(tǒng)之間差距還很大，需要更加專業(yè)化的開發(fā)；⑤卷制塔筒筒徑過大帶來的筒體下陷及錯邊問題。

通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)我國海洋風電塔筒卷板機的發(fā)展還必須解決的關(guān)鍵技術(shù)有：精度問題、速度問題、能耗問題、設(shè)備問題、工藝問題、驅(qū)動問題、數(shù)控技術(shù)以及研究機理等。

3 海洋風電塔筒卷板機的發(fā)展趨勢

相對于國外的風電卷板機技術(shù)，我國卷板機技術(shù)的研究方向及其發(fā)展趨勢具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 國內(nèi)的中小型風力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，然而大型風力發(fā)電技術(shù)相對還不成熟，仍處于進一步研發(fā)當中。風電技術(shù)的發(fā)展進步使得風電設(shè)備需求逐步趨向大型化，風電塔筒尺寸增大，風電塔筒卷板機也逐漸大型化。

(2) 研發(fā)智能檢測、跟蹤前沿技術(shù)，力求實現(xiàn)對卷板機的智能化控制。

(3) 實現(xiàn)卷板成套化設(shè)備配置，將卷板機作為主要的加工單元。以數(shù)控卷板機為中心形成柔性加工單元，實現(xiàn)自動化，這將成為日后卷板機發(fā)展的重要方向。

(4) 需要更加深入地研究卷板機技術(shù)，特別是對于卷板機的結(jié)構(gòu)問題以及影響卷制精度的因素進行深入的研究。

(5) 在上料技術(shù)方面，我國應(yīng)采用具有更快的數(shù)據(jù)處理能力、更高加工精度的開放式數(shù)控系統(tǒng)，自動送料機應(yīng)面向柔性化和智能化的方向發(fā)展。

4 結(jié)論

陸上風電的發(fā)展趨于飽和，海上風電的興起使海洋風電塔筒卷板機具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著海上風能的進一步開發(fā)和利用，對于海洋風電塔筒的需求會逐步增加，對其的制作精度要求也會越來越高。在市場需求巨大的背景下，用于風電塔筒制作的卷板機逐漸向精密化、自動化、智能化發(fā)展。海洋風電塔筒卷板機的進一步研究與發(fā)展，也將促進我國海洋風電的發(fā)展。我國卷板機行業(yè)要把握市場機遇，加快產(chǎn)品升級和創(chuàng)新，消化吸收國外先進技術(shù)，完成對海洋風電塔筒卷板機的改革創(chuàng)新。