復(fù)合材料風(fēng)電葉片分段組裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、 復(fù)合材料風(fēng)電葉片分段組裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 摘要：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅速，我國的社會(huì)也有了很大的進(jìn)步。大型風(fēng)機(jī)葉片不僅增加了制造的難度，也給其運(yùn)輸帶來諸多不便，需專門為其修建運(yùn)輸?shù)缆罚杀据^高。將葉片進(jìn)行分段制造和運(yùn)輸，到現(xiàn)場后再進(jìn)行裝配是風(fēng)電工程的一項(xiàng)重要技術(shù)。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；風(fēng)電葉片；分段組裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀引言風(fēng)能作為清潔、可再生能源的一員，具有容量大、開發(fā)和維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)。近年來，在全球范圍內(nèi)得到了大規(guī)模發(fā)展。全球風(fēng)能理事會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明風(fēng)能已經(jīng)成為全球能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)緩解環(huán)境污染發(fā)揮著越來越重要的作用。風(fēng)電葉片作為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件是能量吸收的載體，占據(jù)機(jī)組約20%的成本，同時(shí)，也是

2、風(fēng)電機(jī)組載荷的主要來源，風(fēng)電葉片的強(qiáng)度和可靠性對(duì)風(fēng)電機(jī)組的壽命和能量輸出至關(guān)重要。1復(fù)合材料概述復(fù)合材料是由包含兩種及以上的材料通過各種手段而合成的材料。iso對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了界定，除了字面上的兩種以上材料各自的特點(diǎn)之外，復(fù)合材料還對(duì)組成材料的性能進(jìn)行了界定，即材料必須在化學(xué)意義上或者在物理意義上有所區(qū)別，同時(shí)必須是多相固體。多相固體指的就是擁有兩種不同功能的固體，這種功能不是我們傳統(tǒng)意義上指的使用功能，而是一個(gè)部分起到復(fù)合效應(yīng)，另一部分起到傳遞應(yīng)力的作用。也就意味著，科研人員要想設(shè)計(jì)出性能較強(qiáng)的復(fù)合材料，需要付出更多的努力和實(shí)驗(yàn)，才能改善材料的物理及化學(xué)性能。為了便于理解碳纖維復(fù)合材料，在此

3、對(duì)復(fù)合材料的發(fā)展史進(jìn)行簡單的說明。實(shí)際上，早在遠(yuǎn)古時(shí)代，世界上就已經(jīng)擁有復(fù)合材料，那就是植物的自生長長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，這種復(fù)合材料多見于樹木中，在竹子中也很常見，但是受到當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，這種復(fù)合材料的使用基本上不發(fā)生化學(xué)上的改變，一般只是物理性能上的疊加。在當(dāng)時(shí)人口并不密集的社會(huì)中，自生長的長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料并未被大范圍應(yīng)用。原始人擺脫了居住山頂和巖洞的習(xí)慣，開始居住房屋，用于房屋建筑的稻草和黏土就成為了另一種需要人工參與制作的復(fù)合材料。后來隨著人類智慧的開發(fā)，越來越多性能更強(qiáng)的復(fù)合材料被應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)和生活中。在接下來的20世紀(jì)40年代，出現(xiàn)了一種具有革命性的代表型復(fù)合材料，它的出現(xiàn)為復(fù)合材

4、料的發(fā)展畫上了濃墨重彩的一筆，即玻璃纖維增強(qiáng)符合材料，隨后又出現(xiàn)了硼纖維和碳纖維等，使得復(fù)合材料得到了進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。2自動(dòng)化智能化制造技術(shù)2.1智能溫控模具技術(shù)模具是成型葉片的關(guān)鍵，現(xiàn)有葉片模具加熱方法通常為電加熱或水加熱。電加熱重量輕、升溫快，容易實(shí)現(xiàn)靈活控制;水加熱成本低、溫度控制能力較穩(wěn)定;但這兩種傳統(tǒng)加熱方法均具有不能實(shí)時(shí)反映模具工作面溫度的缺點(diǎn)。在葉片的成型過程中，特別是固化階段，模面溫度的精確程度會(huì)直接影響葉片材料的最終性能。如果葉片固化溫度過低、固化度不夠，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能無法滿足設(shè)計(jì)要求;而溫度過高又可能加劇樹脂的反應(yīng)，導(dǎo)致放熱集中，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致模具或產(chǎn)品的報(bào)廢。因此可

5、進(jìn)行溫度智能控制和調(diào)節(jié)的模具是確保風(fēng)電葉片生產(chǎn)可靠性的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)了一種風(fēng)電葉片模具智能電加熱控制設(shè)備，該系統(tǒng)主要由中央處理設(shè)備、電熱絲、溫度探頭、功率控制設(shè)備等組成。該系統(tǒng)通過將電阻絲縱向、分段布置于模具夾層內(nèi)，并在模具工作面下部裝有若干溫度探頭的方法，實(shí)現(xiàn)模具分段加熱和模具各點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，最后通過中央處理設(shè)備可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制。該裝置可以遠(yuǎn)程控制模具面上各點(diǎn)的溫度、加熱時(shí)間、升溫速率。但通常此方法由于采溫點(diǎn)較多，控溫復(fù)雜，溫控受到元器件質(zhì)量及性能影響較大。在水加熱智能模具中，構(gòu)建了一種不同于以往加熱方式的風(fēng)電葉片模具智能水加熱控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于bang-bang算法和自適應(yīng)模糊控制

6、理論控制，主要由可編程邏輯控制器(plc)、內(nèi)部含有可控硅移相觸發(fā)板和可控硅等的可調(diào)功率水加熱器及終端設(shè)備組成。其基本原理如下:可調(diào)功率水加熱器將水加熱，加熱的水在模腔內(nèi)部鋪設(shè)的散熱管內(nèi)快速流動(dòng)、循環(huán);葉片模具根部的傳感器將溫度反饋給控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)通過電壓模擬信號(hào)控制和改變加熱器可控硅的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)模腔水溫的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功能。通過控制器、觸摸屏及計(jì)算機(jī)終端設(shè)備之間的通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及網(wǎng)絡(luò)信息化。2.2預(yù)浸料鋪放技術(shù)隨著風(fēng)電葉片大型化、輕量化的發(fā)展，碳纖維已成為葉片應(yīng)用的趨勢(shì)。與玻璃纖維主梁設(shè)計(jì)相比，如使用碳纖維主梁設(shè)計(jì)的70m左右的風(fēng)電葉片，其重量可降低約30%。但碳纖維由于其固有特性，如

7、采用真空灌注，其產(chǎn)品浸潤缺陷不易辨別，質(zhì)量控制上有較大難度。使用碳纖維預(yù)浸料工藝制作主梁風(fēng)險(xiǎn)低、更穩(wěn)定可靠。碳纖維預(yù)浸料自動(dòng)控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶定位、切割、鋪放等功能，可節(jié)約制造成本，大幅降低材料的廢品率，特別適合平面或小曲率曲面構(gòu)件的自動(dòng)化成型。其主要工藝為:采用龍門或臥式多軸機(jī)械臂對(duì)鋪帶位置進(jìn)行控制、自動(dòng)定位;鋪設(shè)頭按程序自動(dòng)完成預(yù)浸帶輸送、剪裁;加熱輥加壓鋪疊在模具上等。但目前此技術(shù)由于設(shè)備昂貴等多重因素通常在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用較多，葉片上暫時(shí)還無法應(yīng)用。目前葉片碳纖維預(yù)浸料通常采用特定簡易工裝工具進(jìn)行鋪設(shè)，該工裝在鋪設(shè)過程中起到定位和保證鋪設(shè)質(zhì)量的作用。由于主梁是扭角變化的，為避免鋪設(shè)位

8、置有偏差，鋪設(shè)工具行走路徑的設(shè)計(jì)很重要，應(yīng)確保工裝的行走路徑與主梁的扭角變化相匹配，使每層預(yù)浸料以對(duì)稱中心重合的方式鋪放在模具上。2.3管式連接管式連接原理是采用粘合劑或真空灌注增強(qiáng)纖維樹脂或其他連接部件將相匹配的陰陽管梁牢牢地相互固定在一起，實(shí)現(xiàn)分段葉片的連接。這種連接形式有效地增大了接觸面積，能夠保證分段葉片的牢固連接。這種連接件結(jié)構(gòu)單一，如果粘結(jié)過程中陰陽管梁沒有充分接觸，會(huì)造成局部承載過大，因此對(duì)連接工藝提出了很高的要求。同時(shí)，這種單一的結(jié)構(gòu)一旦失效將面臨整個(gè)葉片連接結(jié)構(gòu)的破壞，存在不可控的安全風(fēng)險(xiǎn)。2.4膠接膠接主要依靠膠粘劑粘結(jié)而不是機(jī)械連接。將兩段分段葉片端對(duì)端連接，葉片段在成型

9、時(shí)包含有楔形連接區(qū)域，楔形區(qū)域內(nèi)充滿膠粘劑，然后將相應(yīng)的上、下部連接件施加于分段葉片的楔形連接帶。一旦連接，連接帶就會(huì)形成很多嵌接或錐形連接形成的膠接，可以有效地傳遞分段葉片之間的荷載，且不會(huì)對(duì)葉片的氣動(dòng)性能產(chǎn)生不利影響。這種方法也被廣泛應(yīng)用于大型飛機(jī)的復(fù)合材料主承力件中。當(dāng)然，這種分段葉片連接形式也會(huì)存在一些問題，比如，粘結(jié)過程中局部會(huì)出現(xiàn)氣泡、中空以及粘結(jié)層厚度不均等，這些都會(huì)引起連接強(qiáng)度的不足。結(jié)語綜上所述，使用傳統(tǒng)的材料制作風(fēng)電葉片會(huì)出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電效率降低的問題，特別是在惡劣天氣中，其發(fā)電質(zhì)量也比較差，由于碳纖維復(fù)合材料具有高耐久性和耐熱性，以及較強(qiáng)剛性等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于風(fēng)電葉片中，能夠有效提升風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的工作效率，同時(shí)，發(fā)電的質(zhì)量和利用率也有所提升，未來隨著科技的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料將會(huì)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1薛彩虹,李軍向,王超,等.復(fù)合材料風(fēng)電葉片有限元建模和屈曲穩(wěn)定性分析j.玻璃鋼/復(fù)合材料,2014(1):4-7.2蘇成功,李成良,魯曉鋒.大型風(fēng)電葉片后緣