樂(lè)韻斐，宋來(lái)根

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

風(fēng)電葉片表面打磨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輕量化研究

樂(lè)韻斐，宋來(lái)根

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

為了對(duì)葉片表面打磨以進(jìn)行后期處理，根據(jù)某一型號(hào)葉片設(shè)計(jì)了風(fēng)電葉片表面打磨機(jī)?；诖蚰C(jī)自身重力和打磨過(guò)程中的工作負(fù)載情況，利用SolidWorks和ANSYS對(duì)打磨機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度分析、剛度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)靈敏度分析法和響應(yīng)曲面分析法，在保證打磨機(jī)剛度的情況下，其質(zhì)量可降低510 kg.結(jié)果表明：靈敏度分析法和響應(yīng)曲面法是研究輕量化的有效途徑。

打磨機(jī)；強(qiáng)度分析；剛度分析；靈敏度分析；響應(yīng)曲面分析；輕量化

隨著環(huán)境污染和能源短缺等現(xiàn)象對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展威脅的日益嚴(yán)重，風(fēng)能作為一種可再生的綠色能源，它的應(yīng)用和發(fā)展越來(lái)越表現(xiàn)出重要的意義[1-2]。

葉片是風(fēng)電發(fā)電設(shè)備最關(guān)鍵的部件[3]，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增加，葉片長(zhǎng)度也在不斷增大，丹麥工廠生產(chǎn)的最長(zhǎng)風(fēng)電葉片長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)80 m[4]，我國(guó)艾朗生產(chǎn)的風(fēng)電葉片長(zhǎng)度已達(dá)到75 m.

對(duì)風(fēng)電葉片表面進(jìn)行打磨是葉片生產(chǎn)過(guò)程中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，提高風(fēng)電葉片表面打磨速度和質(zhì)量，有助于提高風(fēng)電葉片整個(gè)加工工序的效率。

1 風(fēng)電葉片表面打磨機(jī)方案比較

本文以68.8 m長(zhǎng)的風(fēng)電葉片為研究對(duì)象，其外形是大型自由曲面，葉根端面為圓形，葉腹截面及葉尖截面為不規(guī)則形狀。葉片在40 m處有明顯的預(yù)彎，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電葉片（68.8 m）三維模型

當(dāng)前國(guó)內(nèi)大多數(shù)葉片生產(chǎn)廠家通過(guò)人工方法對(duì)葉片表面進(jìn)行打磨，該方法打磨完成一個(gè)葉片需要8人同時(shí)工作8 h，效率極為低下且打磨粉塵對(duì)人體傷害極大。國(guó)內(nèi)少數(shù)葉片生產(chǎn)廠家及部分國(guó)外廠家使用智能機(jī)器人對(duì)葉片進(jìn)行打磨[5]，該方法有效地避免了粉塵對(duì)人體的傷害，但是打磨時(shí)間長(zhǎng)，價(jià)格昂貴且維修不方便。

本文以自行設(shè)計(jì)的風(fēng)電葉片表面打磨機(jī)對(duì)大型風(fēng)電葉片表面進(jìn)行打磨。它具有兩個(gè)定梁龍門，其中一個(gè)配置六個(gè)打磨伸縮臂結(jié)構(gòu)，另一個(gè)配置四個(gè)打磨伸縮臂結(jié)構(gòu)加一對(duì)銑削伸縮臂結(jié)構(gòu)，有效地提高了打磨效率，圖2為打磨機(jī)總裝方案示意圖。

圖2 打磨機(jī)總裝方案

2 打磨機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷分析

2.1 打磨機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

以風(fēng)電葉片表面打磨機(jī)的打磨機(jī)1號(hào)為研究對(duì)象，其主體結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)立柱，立柱內(nèi)焊接有加強(qiáng)肋板提高立柱剛度，每個(gè)立柱的前后兩側(cè)分別配有一個(gè)沿X方向運(yùn)動(dòng)的打磨伸縮臂，由沿Y方向運(yùn)動(dòng)的滑枕帶動(dòng)。一根固定在兩側(cè)立柱上的橫梁，橫梁內(nèi)焊接米字肋板，橫梁上配有兩個(gè)沿Y向運(yùn)動(dòng)的打磨伸縮臂，由沿X方向運(yùn)動(dòng)的滑枕帶動(dòng)。

2.2 打磨機(jī)載荷分析

該打磨機(jī)立柱的受力為立柱上Y向運(yùn)動(dòng)的滑枕和X向打磨伸縮臂的重力和打磨時(shí)的磨削力。此外，滑枕帶動(dòng)打磨伸縮臂沿立柱上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，立柱將產(chǎn)生不穩(wěn)定變形；橫梁的受力形式為兩點(diǎn)簡(jiǎn)支梁支承式，造成橫梁變形的主要原因是橫梁、橫梁上構(gòu)件的重力和打磨時(shí)的磨削力。除了橫梁本身重量造成穩(wěn)定變形以外，考慮橫梁上的滑枕和打磨伸縮臂等移動(dòng)部件從一端移動(dòng)到中部時(shí)，也會(huì)引起橫梁不穩(wěn)定的彎曲變形。打磨伸縮臂呈懸臂結(jié)構(gòu)，其重力會(huì)引起橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。根據(jù)機(jī)床打磨機(jī)的受力結(jié)構(gòu)和工作要求，分析得出極限工作載荷。現(xiàn)將打磨機(jī)上的滑枕、打磨伸縮臂、磨頭組件和工作時(shí)的磨削力簡(jiǎn)化并等效到立柱和橫梁上，如圖3所示，其中F1y、F2y、F3y、F4y分別為立柱上四個(gè)滑枕及其上打磨伸縮臂、磨頭組件的重力；F5y、F6y分別為橫梁上兩個(gè)滑枕及其上打磨伸縮臂、磨頭組件的重力和工作時(shí)磨削力的合力；F1y、F2y、F3y、F4y分別為立柱上四個(gè)打磨伸縮臂工作時(shí)磨削力的大??；M1z、M2z、M3z、M4z分別是立柱上四個(gè)滑枕、打磨伸縮臂和磨頭組件的重力對(duì)z軸的力矩；M1z、M2z、M3z、M4z、M5z、M6z分別是六個(gè)滑枕、打磨伸縮臂和磨頭組件的重力對(duì)x軸的力矩。其數(shù)值如表1和表2所示[6]。

圖3 打磨機(jī)受力分析簡(jiǎn)化模型

表1 打磨機(jī)承受的等效集中力（N）

表2 打磨機(jī)承受的等效集中力矩（Nm）

3 打磨機(jī)有限元模型與強(qiáng)度剛度分析

為了減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短所需計(jì)算時(shí)間，對(duì)打磨機(jī)三維模型進(jìn)行幾何清理，去除幾何中小孔、倒角和溝槽等對(duì)結(jié)構(gòu)影響很小的特征，得到簡(jiǎn)化的打磨機(jī)幾何模型如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化幾何模型

考慮到打磨機(jī)整體尺寸，選取單元尺寸為40 mm對(duì)打磨機(jī)幾何模型劃分網(wǎng)格得到有限元模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 180 935，單元數(shù)為265 034，如圖5所示。

圖5 有限元模型

根據(jù)打磨機(jī)工作狀態(tài)，對(duì)兩立柱底部施加固定約束，按表1，表2施加力和力矩，考慮到橫梁自重的影響，施加沿Y軸負(fù)方向的重力加速度為9.8 m/s2.如圖6所示。

圖6 約束模型

進(jìn)入ANSYS Workbench求解模塊進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)束后查看變形和應(yīng)力結(jié)果，最大總變形為0.07 mm，X、Y、Z三個(gè)方向上的變形分別為0.027 mm，0.000 4 mm，0.04 mm.忽略應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為6 MPa.如圖7~11所示。

圖7 總變形云圖

圖8 X向變形云圖

圖9 Y向變形云圖

圖10 Z向變形云圖

圖11 等效應(yīng)力云圖

4 輕量化設(shè)計(jì)

若一個(gè)響應(yīng)函數(shù)f，可以由一個(gè)或一個(gè)以上的輸入變量（x1，x2，…，xn）來(lái)表示，那么，f對(duì)于輸入變量的偏導(dǎo)數(shù)，就是輸入變量對(duì)響應(yīng)函數(shù)的靈敏度。表示為：S=，其中，i=1，2，3…n.S代表靈敏度[7-8]。靈敏度分析可以確定輸入變量對(duì)響應(yīng)函數(shù)的影響程度的大小，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。

打磨機(jī)的結(jié)構(gòu)組成主要是立柱的前后壁板、側(cè)壁板、筋板，橫梁的前后壁板、側(cè)壁板、筋板。它們的厚度尺寸分別用P2、P1、P3、P5、P4、P6表示，其初始值分別為20 mm、20 mm、15 mm、20 mm、20 mm、15 mm.各個(gè)板如圖12所示。

圖12 打磨機(jī)尺寸

改變各板面的厚度尺寸，在ANSYS中做受力分析，得到各個(gè)尺寸對(duì)響應(yīng)函數(shù)的靈敏度，如圖13所示。由圖可以看出，P1、P2對(duì)打磨機(jī)質(zhì)量影響最大。

圖13 參數(shù)靈敏度分析

同理，得到各個(gè)尺寸對(duì)響應(yīng)函數(shù)的響應(yīng)曲面，如圖14~16所示。

圖14 P1、P2對(duì)質(zhì)量的響應(yīng)曲面

圖15 P3、P4對(duì)質(zhì)量的響應(yīng)曲面

圖16 P5、P6對(duì)質(zhì)量的響應(yīng)曲面

通過(guò)對(duì)參數(shù)靈敏度分析和響應(yīng)曲面的有機(jī)結(jié)合，可以方便、快捷地選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)變量。在ANSYS中列出優(yōu)化方程：

Min Geometry Mass

優(yōu)化結(jié)果：

Geometry Mass（kg）

優(yōu)化前23 953

優(yōu)化后23 443

由優(yōu)化結(jié)果得：通過(guò)改變打磨機(jī)各個(gè)板面的厚度尺寸，可以在保證剛度的基礎(chǔ)上降低質(zhì)量，對(duì)打磨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)比較不同打磨方案的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了雙龍門式數(shù)控打磨機(jī)結(jié)構(gòu)方案。根據(jù)打磨機(jī)在工作過(guò)程中的負(fù)載情況，分析其強(qiáng)度和剛度。由靈敏度分析和響應(yīng)曲面分析，得出打磨機(jī)前后壁板和側(cè)壁板的厚度尺寸是對(duì)打磨機(jī)質(zhì)量影響最大的尺寸，可將其作為優(yōu)化時(shí)變化范圍最大的參數(shù)。在保證剛度不降低的前提下，打磨機(jī)質(zhì)量降低了510 kg.優(yōu)化參數(shù)靈敏度的大小，對(duì)打磨機(jī)設(shè)計(jì)有很大的參考價(jià)值。

[1]朱瑛，程明，花為，等.考慮損耗轉(zhuǎn)矩的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤控制[J].中國(guó)機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2013，33（19）：39-40.

[2]Zhe CHEN.A Review of Power Electronics for Wind Power [J].Power Electronics，2011，45（8）：11-12.

[3]廖高華，烏建中，張磊安.風(fēng)機(jī)葉片靜力加載節(jié)點(diǎn)優(yōu)化及試驗(yàn)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2016，35（1）：18-20.

[4]時(shí)辰.風(fēng)電葉片磨削加工中磨削力及表面成形過(guò)程研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014.

[5]卜遲武.風(fēng)電葉片打磨機(jī)器人的控制研究[D].黑龍江：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[6]趙小樂(lè).葉片砂帶磨削機(jī)床研發(fā)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

[7]魏鵬飛.結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性及靈敏度分析研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2014.

[8]郭壘，張輝，葉佩青，等.基于靈敏度分析的機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，51（6）：846-850.

Structural Design and Lightweight Research of Grinding Machine for Wind Turbine Rotor Blade Surface

LE Yun-fei，SONG Lai-gen
（School of Mechanical and Energy Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

In order to polish the surface of the wind turbine rotor blade，a grinding machine is designed according to a certain type of blade.Based on the self gravity of the grinding machine and working load during grinding process，do strength analysis，stiffness analysis and optimization design by using Solidworks and ANSYS.By means of sensitivity analysis and response surface analysis，the stiffness can be maintained while reducing the mass of machine by 510kg.The result shows that the sensitivity analysis method and the response surface method are the effective ways to do lightweight research.

grinding machine；strength analysis；stiffness analysis；sensitivity analysis；response surface analysis；lightweight

TK83

：A

：1672-545X（2017）01-0029-04

2016-10-12

樂(lè)韻斐（1964-），女，上海人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)電液控制技術(shù)。