數(shù)控下料誤差對塔架法蘭平面度的影響及控制*

林定果，何衛(wèi)東，門永卿，張 鴻，張劍琴

(1.酒鋼集團 西部重工股份公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100； 2.甘肅省機械科學研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

塔架是連接風力發(fā)電機組的重要部件，它承受了風力作用在葉輪上的推力、扭矩、彎矩、陀螺力矩，電機振動及受力變化時也會引起塔架擺動。法蘭則是塔架之間連接的關(guān)鍵部件，既要承受發(fā)電機組運行時的各種力矩，同時要保證塔架整體的垂直度、同軸度等幾何尺寸保持在設(shè)計要求的誤差范圍之內(nèi)。

在風電塔架制造過程中，只有控制好塔段的法蘭平面度和塔段各筒節(jié)的同軸度、垂直度，才能保證整個風電機組整體質(zhì)量可靠、吊裝過程順利、投入使用后運行平穩(wěn)。而在塔架制作過程中，塔架筒體數(shù)控下料誤差是影響法蘭平面度的最重要因素，直接決定了法蘭平面度的幾何指標狀況[1]。

筆者以遠景能源EN141/2.5型塔架的上段直形筒體為例，首先展開下料設(shè)計圖形和下料超差圖形，再對筒體卷制成型后的筒體端面平面度進行測量，經(jīng)過二者筒體端面平面度對比，探討塔架數(shù)控下料誤差對法蘭平面度的影響。

1 風電塔架結(jié)構(gòu)形式及相關(guān)要求

風電塔架是由若干節(jié)筒體連接法蘭組焊成若干段塔筒，在風電安裝現(xiàn)場使用高強螺栓連接各段塔筒法蘭而成。塔筒筒節(jié)有直形和錐形兩種筒體，筒體是鋼板經(jīng)數(shù)控切割下料后卷制成筒節(jié)并焊接成型，由于數(shù)控切割機切割筒節(jié)程序、設(shè)備精度、保養(yǎng)狀況等因素影響，塔架法蘭平面度幾何尺寸時有超標現(xiàn)象。

依據(jù)風電塔架制造檢驗規(guī)范要求[2]，塔筒數(shù)控下料后的鋼板寬度誤差≤2 mm，對角線誤差≤3 mm，測量方法及數(shù)據(jù)值如圖1所示。下料公差(單位mm)：F±2，E±2； 板寬之差J≤2 ；|M1-M2|≤3 。

圖1 板材切割尺寸檢測

依據(jù)風電塔架制造技術(shù)規(guī)范要求[3]，塔架頂部法蘭平面度為0.5 mm，其它連接法蘭平面度為1.5 mm，而由于塔筒筒體數(shù)控下料的超差，雖然可能只是在5 mm以內(nèi)，但仍然造成法蘭平面度的超差。

2 幾種常見塔筒直形筒體展開下料誤差

2.1 塔筒直形筒體展開

塔筒直形筒體依據(jù)平行線展開法展開，按照筒體板厚中徑展開，筒體展開圖為矩形，矩形長度L=φ(筒體中徑)× π，以EN141/2.5型塔架為例，塔架上段第一節(jié)(S1)筒體如圖2所示。

圖2 筒體尺寸及展開圖

直形筒體的上下端面邊沿線展開后為平行的矩形兩長邊(筒體中徑φ3 640 mm，高度2 000 mm；展開圖為矩形，長度11 435.397 mm，寬度2 000 mm)，矩形兩條長邊的平行度及直線度決定了筒體上下端面的平面度，矩形長度決定了筒體直徑誤差，長邊與短邊的垂直度決定了筒體縱縫的垂直度。

2.2 常見直形塔筒筒體展開下料誤差圖形

2.2.1 料寬度誤差

由于數(shù)控切割機軌道平行度偏差等原因，造成筒體展開料寬度超寬或超窄等缺陷，如圖3所示。圖3中的實線部分為設(shè)計筒體展開圖，虛線部分是超寬或超窄部分， 圖中J為設(shè)計寬度，J0為下料切割后的鋼板寬度，圖3(a)中J0=J+J1+J2，圖3(b)中J0=J-J1-J2。

圖3 直形筒體展開誤差示意圖

在實際數(shù)控下料中，J1和J2有可能有一個數(shù)據(jù)為0 mm，即可能矩形長度方向單邊超寬或超窄。

2.2.2 料長度方向直線度誤差

由于數(shù)控切割機軌道直線度偏差及主副機頭鎖緊裝置問題等原因，造成筒體展開料長度方向?qū)捳灰坏热毕?，如圖4所示。圖4中的實線部分為設(shè)計筒體展開圖，虛線部分是直線度誤差部分及展開料24等分線， 圖中J為設(shè)計寬度，Ja1和Ja2為下料切割后的鋼板超寬尺寸，Jb1和Jb2為下料切割后的鋼板超窄尺寸，圖4中的直線超差值為Ja1+Jb1或為Ja2+Jb2。

圖4 不同情況誤差示意圖

在實際數(shù)控下料中，Ja1+Jb1和Ja2+Jb2有可能有一個和值為0 mm，即可能矩形長度方向單邊直線度超寬或超窄。

2.2.3 料矩形對角線(平行四邊形)誤差

由于數(shù)控切割機的主梁扭曲、軌道齒輪問題、主副機頭鎖緊裝置問題、鋼帶缺陷等原因，造成筒體展開料矩形對角線誤差缺陷，如圖5所示。圖5中的實線部分為設(shè)計筒體展開圖，虛線部分是矩形對角線誤差部分，J為設(shè)計寬度，E和F為筒體下口和上口展開長度，E1、E2和F1、F2為筒體下口和上口展開長度誤差，M1和M2為展開料對角線長度，M1=M2，Ma0和Mb0為數(shù)控下料后對角線長度，Ma0>M1(M2)，Mb0

圖5 直形筒體展開料矩形對角線(平行四邊形)誤差示意圖

在實際數(shù)控下料中，可能存在一個方向或兩個方向的對角線長度大于或小于設(shè)計值，或一個方向?qū)蔷€長度大于設(shè)計值而另一個方向的對角線長度等于設(shè)計值，或一個對角線長度小于設(shè)計值而另一個方向的對角線長度等于設(shè)計值，即F1和F2不等于0 mm，而E1和E2可能等于0 mm，或E1和E2不等于0 mm，而F1和F2可能等于0 mm。

2.2.4 料矩形對角線(梯形)誤差

由于數(shù)控切割機主梁扭曲、軌道齒輪問題、主副機頭鎖緊裝置問題、鋼帶缺陷等原因，造成筒體展開料矩形對角線誤差缺陷，如圖6所示。圖6中的實線部分為設(shè)計筒體展開圖，虛線部分是矩形對角線(梯形)誤差部分， 圖中J為設(shè)計寬度，E和F為筒體下口和上口展開長度，E1、E2和F1、F2為筒體下口和上口展開長度誤差，M1和M2為展開料對角線長度，M1=M2，M01和M02為數(shù)控下料后對角線長度，M01和M02分別大于和小于M1(M2)。

圖6 直形筒體展開料矩形對角線(梯形)誤差示意圖

在實際數(shù)控下料中，可能存在一個方向或兩個方向的對角線長度大于或小于設(shè)計值，或一個方向?qū)蔷€長度大于設(shè)計值而另一個方向的對角線長度等于設(shè)計值，或一個對角線長度小于設(shè)計值而另一個方向的對角線長度等于設(shè)計值，即F1和F2不等于0 mm，而E1和E2可能等于0 mm，或E1和E2不等于0 mm，而F1和F2可能等于0 mm。

2.2.5 對比總結(jié)

以上四種誤差缺陷在實際制造過程中，可能單獨出現(xiàn)，也有可能兩種或兩種以上缺陷誤差同時出現(xiàn)，因此要根據(jù)數(shù)控下料后的誤差數(shù)值，及時修復數(shù)控切割機。檢查數(shù)控程序、軌道直線度和平面度，保證正副機頭運行正常，鋼帶無缺陷，并定期進行設(shè)備維護，保證數(shù)控切割質(zhì)量符合技術(shù)規(guī)范要求。

3 直形塔架筒體數(shù)控下料誤差對塔架法蘭平面度影響

通過塔架直形塔筒筒體展開下料誤差與原設(shè)計筒體展開圖的比對，找出原設(shè)計筒節(jié)展開圖與誤差變形后筒節(jié)展開圖之間的高度差值，使用EasyLaser平面度分析軟件，分析筒節(jié)端面(文中按筒節(jié)與法蘭接口端面分析)平面度，查找與塔架技術(shù)規(guī)范中要求的法蘭平面度的差異，從而確定塔筒筒節(jié)展開下料誤差范圍，控制塔筒筒節(jié)數(shù)控下料質(zhì)量，提高塔筒法蘭平面度質(zhì)量。

以EN141/2.5型塔架上段第一節(jié)(S1)筒節(jié)為例進行分析，上口(以上圖中矩形F邊)與塔筒連接法蘭連接，根據(jù)數(shù)控下料的各種誤差情況，按照24點測量分析筒節(jié)上口平面度，平面度測量點及對應展開圖測量點如圖7所示。

圖7 法蘭平面度測量點示意圖

圖7中的實線部分為設(shè)計筒體展開圖，虛線部分是筒節(jié)展開24等分線，J為設(shè)計寬度，F(xiàn)為筒體上口展開長度，筒節(jié)測量點為24個點，1點為起始點，24點為最終點，對應展開圖中的1～24點；圖7(b)中左邊的第一點為起始點，最右邊的第一點在筒節(jié)卷制后與左邊的第一點重合，如展開圖中兩點寬度J數(shù)值不同，卷制合口是以F直線對齊，保證與法蘭接口焊縫平直。

通過比對筒節(jié)上口下料形狀誤差與筒節(jié)下料展開上口設(shè)計形狀之間的24等分點高度差值，即圖3、4中的J1、Ja1與J的24等分點差值，再使用平面度分析軟件模擬筒節(jié)上口平面度，得出筒節(jié)上口平面度，從而判定筒節(jié)數(shù)控下料誤差對法蘭平面度的影響，最終得出如下結(jié)論。

(1) 直形筒節(jié)寬度誤差對法蘭平面度的影響。

從圖3的直形筒節(jié)寬度誤差分析發(fā)現(xiàn)，筒節(jié)上口為一直線，卷制成筒節(jié)后，對筒節(jié)平面度沒有影響，僅是影響筒節(jié)的同軸度。

(2) 直形筒體展開料矩形對角線(平行四邊形)誤差對法蘭平面度的影響。

從圖5的直形筒體展開料矩形對角線(平行四邊形)誤差分析發(fā)現(xiàn)，筒節(jié)上口也為一直線，卷制成筒節(jié)后，對筒節(jié)平面度沒有影響，只是影響筒節(jié)的同軸度和縱縫垂直度。

(3) 直形筒體展開料矩形對角線(梯形)誤差對法蘭平面度的影響。

分析直形筒體展開料矩形對角線(梯形)誤差，筒節(jié)卷制后，由于展開上下口邊長不同，筒節(jié)上下口直徑大小不同，筒節(jié)成型后為錐形筒節(jié)，如圖8所示，圖8(a)為F>E，圖8(b)為F

圖8 直形筒體展開料矩形對角線(梯形)誤差示意圖

(4) 直形筒體展開料長度方向直線度誤差對法蘭平面度的影響。

依據(jù)直形筒體展開料長度方向直線度誤差的展開圖形，模擬筒節(jié)卷制成型，使用EasyLaser平面度分析軟件分析筒節(jié)上口平面度，得出直形筒體展開料長度方向直線度各種誤差所對應的平面度數(shù)值，模擬測量數(shù)值如表1。

表1 不同尺寸誤差對應平面度模擬測量數(shù)值表

通過表1平面度測量結(jié)果比對發(fā)現(xiàn)，直形筒體展開料長度方向波浪形誤差對塔架平面度有較大影響，筒節(jié)展開誤差點越多影響越大，筒節(jié)展開誤差值與筒節(jié)平面度誤差值成正比。

4 塔筒直形筒體展開下料誤差的控制

通過以上塔筒直形筒體展開下料的誤差與塔筒筒節(jié)端面平面度的比對發(fā)現(xiàn)，直形筒體展開料長度方向直線度誤差對塔筒法蘭平面度影響較大，特別是筒體展開料長度方向波浪形誤差對法蘭平面度影響最大，波浪形誤差值是法蘭平面度值的2倍，筒體展開料長度方向直線度誤差在2個點以內(nèi)時(圖4)，誤差值是法蘭平面度值的1.2倍，其它塔筒直形筒體展開下料的誤差對法蘭平面度影響較小。

因此，塔筒數(shù)控下料時應嚴格控制塔筒展開料直線度誤差，誤差不得超過±2 mm，并確保誤差同時為正差或負差，不得有正差和負差同時出現(xiàn)的現(xiàn)象，嚴禁波浪形直線度誤差出現(xiàn)，與塔筒頂部法蘭相接的筒節(jié)的數(shù)控下料誤差應在1 mm以內(nèi)。對于錐形塔筒，塔筒筒節(jié)展開后，上口扇形弧線的光滑度與直形塔筒展開料直線度相同，弧線光滑起伏的高度誤差，決定著塔筒法蘭的平面度，都應控制在2 mm(頂部法蘭相接筒體為1 mm)以內(nèi)。

通過與法蘭相接筒節(jié)數(shù)控下料誤差的控制，可有效控制塔筒法蘭平面度，使塔架滿足技術(shù)規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

在總結(jié)多年塔架法蘭平面度管控的基礎(chǔ)上，探討了幾種常見塔筒直形筒體展開下料誤差的原因，分析了直形塔架筒體數(shù)控下料誤差對塔架法蘭平面度的影響。塔筒直形筒體展開下料誤差的控制應該通過采用數(shù)控編程技術(shù)、使用精度較高的數(shù)控切割機、選擇合理的切割參數(shù)等一系列措施，確保板材四周的切口垂直度以及外觀光滑平整，這些措施可有效控制筒節(jié)數(shù)控下料誤差標準，從而有效解決塔架法蘭平面度超標問題。