大型复合材料风电叶片模具整体设计与制造技术

 

　　复合材料风电叶片是风力发电机组中能量转化的关键部件，其设计制造的好坏直接关系到风力发电机的效率和使用寿命，影响着整个系统的性能。叶片成型质量的好坏又取决于模具质量的好坏，高精度的模具设计与制造技术是叶片气动外形的重要保证，对产品的生产效率、最终质量和性能起着决定性作用。

 

　　随着风电机组不断朝大型化方向发展，风电叶 片的尺寸逐渐增大， 成型时对模具强度和刚度的要求也越高， 相应的，模具的重量和成本将大幅提高。为了减轻模具重量，降低模具成本，大型复合材料叶片的模具也逐渐由早期的金属模具向着复合材料模 具转变。复合材料模具基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E玻璃纤维、S玻璃纤维等增强材料以及钢结构、翻转机构、加热系统等重要部分组成。复合材料模具的使用意味着复合材料叶片可以做得更大、更长；同时，由于模具和叶片采用了相同的材料，热膨胀系数基本一致，使得制造出的复合材料叶片的精确度和尺寸稳定性均优于金属模具制造的叶片产品。目前真空导入成型工艺已成为复合材料风电叶片制造的主流工艺，相应的叶片模具应具备以下基本要求  ：

 

　　（1）表面光滑、平整、密实：为保证叶片产品表面优良，模具表面应无裂纹、针孔，表面光泽度应达到90以上，表面粗糙度＜10pLm；

 

　　（2）气密性好：因为采用真空导入成型工艺制造叶片，对模具的气密性要求就比较高，通常情况下要求15min内真空降小于10mbar；

 

　　（3）尺寸精度高、结构稳定性好：模具尺寸应实现长度方向平均每米偏差小于0.5mm；

 

　　（4）温度场均匀，加热可靠，温度场应能够实现实时监测，保证每平米表面温差小于0.5℃；

 

　　（5）合模定位、锁紧方便，翻转精度高；

 

　　（6）表面硬度高、使用寿命长：模具表面巴氏硬度应达到40以上，以减小脱模时对模具造成的损伤，使其寿命大于400支叶片；

 

　　（7）运行安全、运输便利。

 

　　2  风电叶片阳模设计与制造技术

 

　　为了顺利制造模具，必须先进行阳模的设计制 造。对于小型叶片， 往往可以采用石膏、水泥、石蜡作为基材来制作整个叶片的模型， 这样制作出来的叶片阳模往往尺寸精度较低，表面粗糙，容易产生气孔、 裂纹等缺陷，平整度较差，适合那些精度要求较低、表面质量要求不高的模具制作 。对于大型叶片， 要将叶片整体制作成阳模难度比较大，故常将阳模分成上、 下两个半模来制作，如图1所示。阳模主要由三部分组成：

 

　　（1）阳模平台：用于承载整个阳模重量，一般采用支撑钢结构做成；

 

　　（2）肋板：用于支撑阳模表面，肋板的形状与半个叶片截面形状相符合；

 

　　（3）阳模表面：用以翻制阴模模具壳板。

 

 

　　目前阳模的制作加工主要有以下两种技术路线。一种是钢构代木型，其肋板由按一定间距规律排列的钢板构成，在钢板上将一系列钢管按事先设 定的顺序焊接成与叶片截面相符的形状，然后再涂上代木。所谓代木其实是一种可加工的双组分糊状树脂，通过两根管子导出，在前段混合均匀后涂覆于阳模表面， 固化后机械加工性能好，有时甚至不用打磨就很光滑。国外包括在国内生产的专业做叶片模具的红枫公司多数都是采用这种方式来制作加工叶片阳模。为了节省成本，也可用苯乙烯泡沫代替钢板，再在表面涂上糊状代木，完成这步后，再把固化后的模型在五轴联动的CNC加工机器上按事先输入的数据进行铣削即可得到与叶片外形一致的阳模 表面。另外一种是木质结构型， 其肋板由按一定间距规律排列的木质截面板构成，表面由按正交方式 铺放的三合板蒙制而成。

 

　　钢构代木阳模的优点是模具型面质量高，缺点 是加工周期长、 价格高；木质阳模的优点是加工周期短、成本低，缺点是模具型面质量较差。下面以木质 阳模为例，讲述阳模的制造工艺技术，图2为木质阳模制作工艺流程。

 

 

　　2.1阳模平台制作与调平

 

　　制作高精度的模型首先必须搭建高精度的基准平台， 搭建叶片阳模基准平台的关键在于其整体平面度、水平度和稳定性。一般采用大型槽钢做横撑梁， 沿长度方向按一定间距排列，其槽钢与地用地脚螺栓连接，先用激光扫平仪进行粗调节，基本固定后再用水平仪调节高度，在基本满足要求时在横梁上顺着长度方向固定钢轨。在基本结构搭建完成后，用叶尖、叶根、叶中三台水平仪进行再校正，对每次调节的活动点进行跟踪，如此反复调整，使平台满足使用要求。

 

　　2.2截面板设计、加工与安装

 

　　阳模平台搭建完毕之后，采用截面板的方式控 制叶片外形并将其固定于钢轨平台之上。图3为截面板外形设计图。首先将叶片三维图转化成CAD图，并根据设计要求对截面板做出凹槽位置。

 

 

　　此外，在截面板上还要进行连接孔的设计，用于截面板之间的连接，如图4所示。截面板设计完成后， 利用CNC雕刻机编制程序加工截面板。截面板在平台上采用激光定位，先在钢轨两端固定发射装置和接收装置，在叶根、叶中和叶尖处各立一块截面板，使得激光发射装置发射的激光穿过这三块板正好打在接收装置上的中心处，安装过程中保证叶片中基准截面板上激光的大小位置不变。

 

 

　　2.3阳模表面制作

 

　　图5所示为截面板L的木条拼接。图6所示为三合板蒙皮制作。如图5和图6所示，截面板定位安装完成后，在其预留的凹槽里采用木条填充拼接，木条填充完毕后再在上面蒙制三合板，然后进行密封层制作，最后对表面进行后处理即可完成阳模制作。

 

　　2.4阳模制作过程中需要注意的几个问题

 

　　木质阳模虽然有成本低、加工周期短等优点，但 用这种方法制作阳模必须注意以下问题：

 

　　（1）整体收缩变形

 

　　因木质阳模的截面板是由密度板加工而成，对环境湿度比较敏感，使用过程中模型整体收缩变形严重。解决方式通常有两种：其一是对截面板四周加工处刷封孔剂以减少截面板的吸湿变形。其二是采取加固的方式，比如在截面板处立支撑，减少截面板收缩变形；

 

　　（2）叶根需加固

 

　　木质阳模制作过程中， 叶根基圆是整套阳模因受力最易变形的地方，可以在叶根基圆处安装钢板作为叶根挡板，在保证其垂直度的前提下进行焊接加固， 将第一块CNC雕刻截面板与钢板采用螺栓连接，以防止阳模叶根的变形；

 

　　（3）型面不平顺

 

　　木质阳模的表面修型主要采用手工刮腻子与检验样板校核相结合的方式， 用CNC数控雕刻机制造标准的带激光定位眼的检验样板，通常间距1m一个，检测时保持样板的垂直与水平并且使激光能够穿透所有的检验样板，将样板处的木质阳模型面修复完毕后，再将各样板之间的型面平滑过渡。由于完全靠手工制作，所以型面会存在波浪线问题，这个可以通过调整修型工序和提高员工的操作水平来解决。

 

　　3 风电叶片模具设计与制造技术

 

　　复合材料叶片模具主要由玻璃钢壳体、支撑钢 架、加热系统以及液压翻转与锁紧装置等组成。

 

　　3.1模具设计技术

 

　　3.1.1模具壳体结构层设计

 

　　模具壳体结构层又分为内结构层、外结构层以及加固层。控制模具的各向同性是实现尺寸精确度及稳定性、传热均匀性的重要手段。一般采用0/45/90/——45四轴玻璃纤维织物对模具复合材料结构层进行各向同性设计，保证模具复合材料层结构和传热上的均匀性，避免和消除一部分施工过程中产生的内应力。此外，通过借助CAE技术对模具的受力进行分析研究，根据分析结果在模具被覆层一些重要部位进行加固，夹芯加筋结构的使用可增强模具复合材料层的刚性，对稳定模具尺寸有重要作用。

 

　　3.1.2 模具支撑钢架结构设计

 

　　钢架结构用来支撑上、下半个模具，首先必须满足强度和刚度要求。在模具起吊、翻转时，模具钢结构必须能够承受大约20t的重力而本身无塑性变形，其中包括半个叶片（3t）与上模自重（17t）。在玻璃钢模具制造过程中，其刚度和重量是两个相互矛盾而又十分重要的因素。以目前市场主流产品40.25m叶片模具为例，一套模具重18t，其中钢架占整个模具重量的33%，对钢架结构进行优化设计可以在保证其强度、刚度的同时减轻重量，从而减轻整个模具的重量，对降低成本、运输起到很大作用。如图7所示CAE分析计算图， 通常先借助CAE技术对模具结构单元进行受力分析，设计模具钢架结构单元，根据实际翻转的高度设计钢架的整体高度，钢架的左右腿根据叶片翻边的外形高度而定，保持上表面水平，然后进行模具钢架整体三维建图。图8所示为模具钢架示意图。

 

 

　　模具对钢架的第二点要求是其外形与模具的玻 璃钢壳体要随形， 保持模具复合材料层与钢架连接的协同变形。目前40m以上长度的叶片基本都使 用环氧树脂。环氧树脂在固化过程中需要加热，同时叶片在合模过程中粘接胶也需要加热固化，这就 使模具的复合材料层和钢架处于不同温度中，因此解决复合材料和钢材热胀冷缩时的矛盾变得非常重 要。目前有两种方式。图9（a）为第一种方式，即在钢架与复合材料层之间采用分段连接。预先在模具 复合材料层上每隔一定距离糊制预埋件， 预埋件与钢架之间采用连接套筒固定，使模具复合材料面层 与金属钢架自由均匀伸长，减少了热应力的产生。图9（b）为第二种方式，即在钢架与复合材料层之间采用整体连接。此种方式在模具前后缘部分固定两根通长的钢管，钢架每隔一定距离与钢管采用滑动装置连接，该连接可以在轴线方向、轴线垂直方向和上下方向进行调节， 在保证正常生产产品的同时减少了模具的应力集中， 增加了模具的使用寿命。

 

　　3.1.3 模具加热系统设计

 

　　模具温度场的均匀性、可靠性以及加热效率等 在叶片生产中起着至关重要的作用，最普遍的做法 是在模具结构层中分区预埋加热系统， 通过温度控制系统、导热层等措施实现精确控温，保证模具温度 场的均匀性。进行加热系统设计之前首先应根据模具加热区域的面积进行局部加热试验， 确保加热能达到工艺设计要求。加热系统设计应考虑模具大小和加热功率，单个回路加热区域的大小，管路的排布 密度和导热方式等因素。

 

　　目前风电叶片模具最有效且最流行的加热方式如图10所示，为水加热和电加热。图10（a）为水加热示意图， 水循环加热方式是利用铜管作为加热管路布满模具产品区以及分模面上形成模具加热的框架，并在铜管之间填充传热介质来实现模具加热后 的热传递，外接大功率的水加热器，直接把热水注入 到模具的铜管中， 并实现热水循环。图10（b）为电加热示意图。电加热易于监控、 操作方便、加热效率高且能大大减轻模具的重量，但是易于发生故障，使用寿命也不及水加热方式的长。

 

 

　　3.1.4模具翻转定位设计

 

　　大型风电叶片模具的翻转定位是比较困难的， 模具的开模与合模需要将上模进行180°翻转，这一过程可以通过机械行车提吊与液压翻转两种方式来实现。前者是将前后两台行车通过吊钩连接在模具的上模结构上，利用行车的动力，驱动上模绕着辅助翻转铰链的中心翻转。由于机械行车的特性，翻转运动不连续， 尤其当上模重心越过回转中心线时，会发生“突变”现象，产生较大的振动和冲击，易出现重大安全事故，同时对行车损伤特别大，缩短了行车的使用寿命。这种方式要求行车操作人员的实际操作经验特别丰富，同时要求行车的承载力和安全系 数特别大 。在行车提吊方式基础上，中材叶片项 目组设计了一种适合大型模具开闭模系统的门轴，通过液压伸缩吊钩的使用实现了同步翻转，在两个吊杆右端分别安装一个位移液压缸，在接近发生 “突变”之前行车停止动作，位移液压缸起作用，产生小位移的推力，使重心平稳地越过回转中心，保证了模具在翻转时的平稳性。同时项目组还设计了多步定位的合模方法，即首先采用液压平衡半球定位系统，使模具在进入定位阶段已基本实现粗定位，然后用一种活动的定位销进行精确定位，“丁”字螺栓和液压锁模系统的组合实现了快速锁模。

 

　　液压翻转是目前国外比较流行的翻转方法。全自动液压翻转设备由翻转架、液压系统以及电控系统3部分组成，不仅可以实现翻转过程的自动化，提高翻转效率，使翻转过程平稳，而且还能更好地保证模具精度和寿命， 提高叶片生产的质量，其液压翻转系统原理如图11所示。

 

 

　　液压装置分为两个部分：液压顶升装置与液压 闭模锁紧装置，安装在下模钢结构上。液压顶升装置通过在下模具的两侧均布顶升油缸来实现支撑和顶升上模；液压闭模锁紧装置通过两侧适当间隔布置的张紧油缸来实现另一要求，即合模后液压缸张 紧上、下模具。图12为液压翻转示意图。

 

 

　　3.2 模具制造技术

 

　　3.2.1 模具制造工艺

 

　　复合材料模具制造工艺流程如图13所示。

 

 

　　（1）高气密性模具制造技术

 

　　模具的气密性是叶片成型过程中最为关键的技术，直接影响产品质量，一旦出现问题可能会导致产品报废。模具的气密性要靠表面层来保证。模具表面层分为胶衣和方格布层，胶衣又分为面层胶衣和过渡层胶衣。面层胶衣有很强的抗划伤、传热和耐热性能，过渡层胶衣用来提高面层胶衣和玻璃钢的粘接性能。胶衣涂覆完毕后间隔1h左右即可糊制方格布层，然后贴上脱模布固化后即可进行下一步的内结构层工序。整个工序中应注意胶衣的脱泡。由于胶衣较稠，只能采用手工打胶钻进行混合，在混合的过程中不可避免地会混入空气，若不进行脱泡处理，涂覆胶衣层的时候将会把空气混入其中以致做出的模具表面会有针孔，将严重影响表面质量；

 

　　（2）ＲIM工艺模具制造技术

 

　　模具制造采用真空导入工艺，在对模具的结构、 受力和功能充分考虑的基础上，需要对导流管路、连续毡和泡沫芯材、注胶口、溢胶口等真空导入技术的关键点进行科学合理的设置，并利用PAM等软件进行优化设计，对实施过程进行仿真模拟，极大地降低大型模具制备过程用ＲIM工艺成型时缺陷产生的可能性。

 

　　3.2.2 模具制造过程中需要注意的几个问题

 

　　（1）胶衣分层 胶衣分层主要是表面层与内结构层的分层，可能的原因是在进行内结构层铺层的时候没有将表面 层的界面处理好，一般要求表面粗糙，无粉尘颗粒。其次的原因是，模具的整体固化度不够，树脂体系还没有反应完全；

 

　　（2）模具基圆收缩变形 目前大型模具制造一般采用环氧树脂作为基体材料，固化时存在一定的收缩，在模具后固化前，必须用钢板将模具基圆进行加固，否则基圆失效将会 影响叶片基圆的圆度，情况严重时将影响叶片圆螺母及法兰的安装；

 

　　（3）铜管冻裂 在北方及零度以下的地区， 当模具不经常使用时，必须将模具里的水用空气压缩泵完全吹出后方 可进行室外放置及转运，否则铜管里的水易结冰，冰的密度比水小，铜管体积不变，在严重时撑爆铜管，造成极大的维修难度。

 

　　4结束语

 

　　大力开发风电能源对于缓解我国将来的能源危机具有战略意义。国家对可再生清洁能源的支持，加快了风力发电的发展速度，也为我国的大型复合材料叶片开发提供了一个不可多得的发展机遇。叶片质量的好坏绝大部分取决于模具质量的优劣，目前我国大型、 复杂、高精度的复合材料模具设计、制造和加工技术还很缺乏，核心技术还不具备，模具设计、校核及工艺技术人员的经验尚不足。叶片行业 的可持续发展，急需形成自主高质量的模具设计制造技术。