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摘要:大型風電分段葉片模具成型技術是解決目前大型模具運輸困難、降低成本的有效方式和大型模具制造的發展趨勢。本文闡述了分段模具組裝成型技術中的型面精度控制技術、預膨脹氣密技術、溫度均勻控制技術這三個關鍵技術，以某型號分段成型風電葉片模具拼裝完成后的測試結果為例，其模具型面精度、氣密性、溫度均勻性均達到了制作葉片的要求，證明了大型模具分段成型技術的可行性。

關鍵詞:分段成型;型面精度;氣密性;溫度均勻性

1引言

“三北”地區風電發展已超過并網能力，優質風場逐漸飽和，而南方及沿海城市是電力消耗的主要城市，因此，風力發電逐漸向南方低風速和沿海城市發展。根據風輪葉片空氣動力學理論，風電葉片從空氣中獲取的功率與風輪直徑的平方成正比［1］。市場對風輪直徑加長的葉片有很大的需求，低兆瓦、大型化是目前風電葉片的發展方向。隨著大型風電葉片及配套模具由于發展，葉片和葉片模具的超長、超重成為轉運的難題。其的重量相對較低，葉片運輸已有專業的旋轉及垂直運輸車，可降低葉片的直線長度。葉片模具重量是葉片重量的5倍左右，且葉片模具旋轉困難，超長、超重不僅影響其運輸，還增加了運輸成本。葉片模具的分段成型制作，成為目前解決大型模具運輸難題的有效方式。此外，風電市場的不確定性也要求葉片模具的生產具備靈活性，葉片模具分段設計及制造應運而生［2］。現在的葉片模具越來越長，從而使得單套模具的制造成本偏高，再加上葉片種類的不斷細分，葉片模具的型號也越來越多，這樣就需要在對葉片進行設計時不斷利用不同型號間的配對組合形成新的葉型，將原來的整長模具分成幾段來制作，然后組合成一體，這樣便于根據葉型的氣動外形將不同的葉片模具進行組合，做到葉片模具的模塊化設計，從而實現部分模具的互換功能。分段模具是將模具鋼架和玻璃鋼蒙皮在制作時在指定位置斷開，分段運輸到指定地點后將模具鋼架和玻璃鋼蒙皮拼裝后連成一體，使其具備整體成型模具的使用效果［3］。決定分段模具使用效果的主要是分段位置拼接后的性能，主要包括分段位置連接后的型面精度、氣密性、加熱溫度均勻性，這些性能是分段成型技術的研究重點［4］。分段模具不僅是整體斷開及拼裝，而且關鍵是要讓分段模具與整體成型模具使用效果相同，這就要求必須充分考慮分段位置連接后的型面精度、氣密性、溫度均勻性等問題。

2分段模具組裝成型關鍵控制技術

分段模具成型主要分為前期分段模具制作和后期分段模具拼裝，本文主要論述后期分段模具拼裝階段拼接縫處的型面精度控制技術、預膨脹氣密技術和溫度均勻控制技術。根據整體模具的性能要求，同時為滿足葉片生產需求，對分段成型拼裝后的模具提出如下要求:(1)型面精度:下模SS面型面整體偏差±5mm，上模PS面型面整體偏差±10mm;(2)氣密性:玻璃鋼蒙皮表面50℃以上，30min壓降≤5mbar;(3)溫度均勻性:表面加熱到70℃條件下，溫度均勻性為±5℃。

2.1型面精度控制技術

分段模具組裝拼接縫處的型面精度控制是拼裝過程的關鍵，是保證葉片翼型的基礎。分段位置的型面精度主要由拼接處兩端鋼架和蒙皮的定位精度決定［5］。拼接處兩端模具拼裝定位主要分為鋼架初定位、蒙皮初定位、蒙皮精定位三個階段。鋼架初定位通過分段處鋼架上的連接定位塊使鋼架連成整體，蒙皮初定位通過定位模具在X、Y、Z三個方向的位置(如圖1所示)來保證模具拼裝后狀態的準確性，蒙皮精定位通過三維激光跟蹤儀測量并調節模具型面，使模具型面與理論三維數模相吻合。分段模具拼裝后的型面精度控制主要通過以下方式來實現:(1)分段鋼架拼裝模具鋼架通過分段位置處的定位塊(如圖2所示)進行連接，模具制作時鋼架采用整體安裝方式，脫模時進行拆分實現分段脫模，拼裝時通過定位塊的限位功能進行連接，實現鋼架的連接和玻璃鋼蒙皮的初步定位。(2)分段蒙皮初定位模具蒙皮型面初定位，要保證模具在X、Y、Z軸三個方向定位的準確。X軸方向通過軸線確定，調整不同段模具的位置使不同段模具的軸線在一條直線上;Y軸方向通過標高進行調節，測量并調節模具翻邊的標高值與理論數值一致，保證不同段模具水平狀態一致;Z軸方向通過拼接處間距及總長確定，測量拼接縫處標識間距及模具總長，保證模具總長在規定誤差范圍內。(3)分段蒙皮精定位模具蒙皮型面的精定位需要借助三維激光跟蹤儀來完成，用三維激光跟蹤儀測量模具型面，根據測量結果對型面超差區域進行調節，保證模具型面與理論三維數模一致。拼接縫兩側型面應過渡順滑且無明顯錯茬。

2.2預膨脹氣密技術

在葉片制作過程中，模具要經歷由室溫升到70℃或85℃，然后再降到室溫的反復過程。模具在加熱過程中由于受熱膨脹，拼接縫處的鋪層會受到擠壓力。如果拼接縫兩端擠壓應力過大，長時間使用后會造成拼接縫位置的斷裂漏氣，影響葉片制造質量和模具的使用壽命。預膨脹技術(見圖3)是將拼接縫復合材料層制備過程全程置于室溫和固化高溫之間的某一特定溫度下，通過預先加熱使拼接縫兩端的玻璃鋼蒙皮預先膨脹，這樣可以降低葉片在高溫固化時拼接縫處鋪層受到的擠壓力，適當增加冷卻時拼接縫處鋪層受到的拉伸力，使拼接位置在反復加熱冷卻過程中不會受到單一過大應力，從而確保拼接縫處復合材料層的擠壓力和拉伸力均在可承受范圍內，保證模具在反復加熱冷卻下的結構和氣密穩定性。

2.3溫度均勻控制技術

模具加熱是葉片模具正常使用的重要功能，模具制作時通常在玻璃鋼蒙皮結構層下安裝加熱管或加熱絲，在葉片制作過程中通過向樹脂提供熱量使樹脂固化［6］。葉片制作過程中，模具表面溫度的均勻性不僅影響葉片的固化成型周期，還會影響葉片的成型質量。模具表面溫度的均勻性受許多因素影響，包括環境溫度、結構層和保溫層厚度、加熱水管或加熱絲間距等。這些影響因素主要從熱源供應和熱傳導兩個方面影響模具的加熱效果［7］。整體成型模具得益于內置連續的加熱水管或加熱絲、均勻的熱源間距控制、均一的結構層厚度等使其具有均勻的模具表面溫度。由于分段成型模具在分段位置斷開，玻璃鋼蒙皮也在此斷開處斷開，導致此處無內置的加熱水管或加熱絲，熱源供應減少，同時拼接縫位置有立起的玻璃鋼法蘭，使熱量向模具背面保溫層傳導增加，導致拼接縫位置產生低溫區。分段模具拼接縫位置的溫度均勻性要通過增加拼接縫處熱源供應，增加拼接縫位置熱量向內結構層傳導而降低向保溫層傳導來實現。有研究表明［7］，減小加熱水管或加熱絲間距，使傳熱過程中橫向熱阻減小，總熱阻亦減小，可使模具型腔面溫度升高，且表面溫度更均勻。在模具實際制造過程中，因考慮到成本、重量和模具的整體性能，間距并不能一味求小，而是要有合理的間距數值。拼接縫位置由于蒙皮的斷開導致此處熱源減少，為彌補熱源減少造成的此處溫度偏低的情況，需要通過減小拼接縫兩側加熱水管或加熱絲間距的方法增加拼接縫位置的熱源供應。由于分段模具拼接縫位置預留了縫隙，拼裝完成后需要將此處縫隙填實。填充拼接縫時要在拼接縫處填充鋁粉和玻璃絲的混合物，鋁粉的填充可降低傳熱的橫向熱阻［8］，使拼接縫兩端的熱量更易傳到拼接縫處，同時背面覆蓋保溫層，減少熱量向背面的傳導，使熱量更多地傳導至模具內型腔面。

3分段成型模具性能測試

利用上述分段模具拼裝技術在現場調試完成了某大型分段葉片模具，分別就型面精度、氣密性、加熱性能進行了測試，測試結果均達到了制作葉片的使用要求。

3.1型面精度測試

調試完成后用三維激光跟蹤儀對型面進行測量，測量結果如下:下模SS面型面偏差為±2mm，合格率為94.85%，整體誤差在±3mm以內，見圖4，符合葉片制作要求;上模PS面型面偏差為±2mm，合格率為91.33%，整體誤差在±5mm以內，見圖5，符合葉片制作要求。

3.2拼接縫氣密測試

利用預膨脹氣密技術制備拼接縫，將模具加熱到70℃，對拼接縫進行氣密檢驗，測試結果如下:30min真空降壓3mbar，符合葉片制作要求。

3.3分段位置加熱測試

將模具加熱器加熱到75℃，模具表面覆蓋保溫毯，保溫2h。用測溫槍對分段位置(30m)及分段位置兩側附近表面溫度進行檢測，測試數據如表1所示。測試結果顯示，拼接縫處溫度從前緣到中軸再到后緣區域，均比兩側附近整米位置溫度低1℃～5℃，拼接縫處平均溫度比兩側附近其他區域低2.4℃～3.6℃，整體溫度偏差在±5℃的合格范圍內，符合葉片制作要求。

4研究意義及應用前景

通過對大型風電分段葉片模具組裝成型關鍵控制技術的研究，實現了大型風電葉片模具的分段制作和拼接組裝，不僅大大降低了模具運輸難度及成本，促進了葉片大型化發展及應用，還可促進復合材料模具大型化制作的發展及工業化應用，如應用于大型船舶等模具。此外，模具分段成型技術的研究還為不同翼型模具相同部分的替換和改造提供了借鑒和技術儲備，可以有效利用原有模具的相同翼型部分，對減少模具成本、節能降耗都有積極的意義。

參考文獻

［1］MartinOLH．風力機空氣動力學［M］．北京:中國電力出版社，2009．

［2］許蕾，薛浩鵬，蔣成益．大功率風電葉片模具分段設計［J］．天津科技，2014，41(6):39-40．

［3］黃釗．大型復合材料風葉模具成型技術研究［C］//第八屆玻璃鋼/復合材料學術年會論文集，2010:109-112．

［4］章令暉，李甲申，韓宇，等．復合材料成型模具研究進展［J］．航天制造技術，2013(1):13-17．

［5］李義全，逄增凱，孟占廣．大型風電葉片模具型面控制研究［J］．玻璃鋼/復合材料，2014(2):53-55．

［6］戴春暉．大型復合材料模具內置循環水加熱系統設計研究［D］．長沙:國防科學技術大學，2007．

［7］韓超，劉曉宇．馬永光．風電葉片成型模具多路溫度控制系統的設計［J］．化工自動化及儀表，2011，38(9):1100-1103．

［8］劉曉宇，韓超，宋曉美．大型風機葉片模具溫控系統的設計［J］．自動化應用，2015(8):95-96．

作者：李義全 武健丹 樊虎 劉曉彬 單位：北京玻鋼院復合材料有限公司