石鵬飛

(三一重能有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引 言

風(fēng)電葉片模具是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心功能部件，風(fēng)電葉片的翼型精度和制作質(zhì)量直接取決于風(fēng)電葉片模具，而風(fēng)電葉片模具液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行精度和穩(wěn)定性直接影響葉片模具的制造精度?，F(xiàn)有葉片模具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)存在翻轉(zhuǎn)油缸負(fù)載偏大或利用率偏低的問(wèn)題，一方面容易造成成本的增加或浪費(fèi)，另一方面給翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。同時(shí)，由于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度不均勻，容易引起翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)甚至葉片模具在慣性沖擊下的結(jié)構(gòu)性破壞。

筆者根據(jù)風(fēng)電葉片模具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，建立翻轉(zhuǎn)過(guò)程力矩平衡表征模型，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)油缸鉸點(diǎn)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角速度同油缸運(yùn)動(dòng)速度理論關(guān)系優(yōu)化翻轉(zhuǎn)油缸運(yùn)動(dòng)控制策略，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)。

1 風(fēng)電葉片模具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)概述

風(fēng)電葉片模具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由支撐體、翻轉(zhuǎn)體、翻轉(zhuǎn)油缸組成。翻轉(zhuǎn)油缸數(shù)量一般布置為兩個(gè)，左右兩側(cè)分布。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐體同殼體下模連接，翻轉(zhuǎn)體同殼體上模連接。油缸1和油缸2同為翻轉(zhuǎn)油缸，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)體180°翻轉(zhuǎn)。

圖1中1-1為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部件中的支撐體，1-2為翻轉(zhuǎn)體，1-3為翻轉(zhuǎn)油缸，3為殼體上模，4為殼體下模。其中支撐體和翻轉(zhuǎn)體鉸接于點(diǎn)O，翻轉(zhuǎn)油缸1和支撐體鉸接于點(diǎn)A，翻轉(zhuǎn)油缸1和翻轉(zhuǎn)體鉸接于點(diǎn)B，翻轉(zhuǎn)油缸2和支撐體鉸接于點(diǎn)A，翻轉(zhuǎn)油缸2和翻轉(zhuǎn)體鉸接于點(diǎn)C。圖中虛線位置為殼體上模開(kāi)模狀態(tài)，實(shí)線位置為合模狀態(tài)。

圖1 風(fēng)電葉片模具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

2.1 翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程

以某大型風(fēng)電葉片模具翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)為例，翻轉(zhuǎn)體位于圖1中虛線位置，即上模處于開(kāi)模狀態(tài)時(shí)，∠AOB初始值為100°，∠AOC初始值為51°。

兩個(gè)油缸尺寸型號(hào)一致，在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中行程伸縮量絕對(duì)值保持一致，因此鉸點(diǎn)B和鉸點(diǎn)C到翻轉(zhuǎn)中心O的距離相等，即繞翻轉(zhuǎn)中心O的運(yùn)行軌跡在同一個(gè)圓上。開(kāi)模狀態(tài)，鉸點(diǎn)B和翻轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)水平放置，鉸點(diǎn)C位于鉸點(diǎn)B側(cè)下方，線段OB與OC的夾角為49°。翻轉(zhuǎn)180°后，鉸點(diǎn)B運(yùn)行至翻轉(zhuǎn)中心O的另一側(cè)，位置水平，鉸點(diǎn)C位于鉸點(diǎn)B的側(cè)上方。

翻轉(zhuǎn)體位于圖1中實(shí)線位置，即上模處于合模狀態(tài)時(shí)，∠AOB最大值為280°， ∠AOC最大值為231°。當(dāng)∠AOB翻轉(zhuǎn)至180°時(shí)，線段AO和OB共線，此時(shí)油缸AB對(duì)翻轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)的力臂減小至0?！螦OB繼續(xù)從180°翻轉(zhuǎn)至280°，油缸AB對(duì)翻轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)的力臂從0逐漸增大。

當(dāng)∠AOC翻轉(zhuǎn)至180°時(shí)，線段AO和OC共線，此時(shí)油缸AC對(duì)翻轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)的力臂減小至0?！螦OC繼續(xù)從180°翻轉(zhuǎn)至231°，油缸AC對(duì)翻轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)的力臂從0逐漸增大。

由上可知，翻轉(zhuǎn)過(guò)程分為三個(gè)階段，如圖2所示。

(1) 翻轉(zhuǎn)階段一：∠AOB從100°翻轉(zhuǎn)至180°，∠AOC從51°翻轉(zhuǎn)至131°，翻轉(zhuǎn)體相對(duì)初始位置翻轉(zhuǎn)了80°。本階段翻轉(zhuǎn)油缸1的力臂LOD逐漸減小至0。

(2) 翻轉(zhuǎn)階段二：∠AOB從180°翻轉(zhuǎn)至229°，∠AOC從131°翻轉(zhuǎn)至180°，翻轉(zhuǎn)體相對(duì)初始位置翻轉(zhuǎn)了129°。本階段翻轉(zhuǎn)油缸2的力臂LOE逐漸減小至0。

(3) 翻轉(zhuǎn)階段三：∠AOB從229°翻轉(zhuǎn)至280°，∠AOC從180°翻轉(zhuǎn)至231°，翻轉(zhuǎn)體相對(duì)初始位置翻轉(zhuǎn)了180°。本階段翻轉(zhuǎn)油缸1的力臂LOD和翻轉(zhuǎn)油缸2的力臂LOE逐漸增大。

圖2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)階段示意圖

2.2 翻轉(zhuǎn)過(guò)程力矩平衡表征模型

簡(jiǎn)化翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖，如圖3所示。圖3中實(shí)線翻轉(zhuǎn)體為翻轉(zhuǎn)任意角度時(shí)的姿態(tài)，直線OD為翻轉(zhuǎn)中心O到翻轉(zhuǎn)油缸AB的垂線。設(shè)定翻轉(zhuǎn)油缸1伸出速度為V1，收回速度為V1′， 翻轉(zhuǎn)油缸2伸出速度為V2，收回速度為V2′。根據(jù)不同翻轉(zhuǎn)階段運(yùn)動(dòng)速度方向可以求解油缸伸縮長(zhǎng)度，結(jié)合圖3可以推導(dǎo)翻轉(zhuǎn)角度和油缸力臂對(duì)油缸運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系。

設(shè)定翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)載荷為G，包括上模重量、葉片PS面重量、翻轉(zhuǎn)體自重。開(kāi)模狀態(tài)載荷位置N0同翻轉(zhuǎn)中心距離為lON0，此時(shí)直線ON0同水平線夾角α為37°，如圖4所示。

圖3 任意姿態(tài)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)位置示意圖

圖4 開(kāi)合模狀態(tài)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受力分析示意圖

圖4中虛線翻轉(zhuǎn)體為開(kāi)模狀態(tài)，實(shí)線翻轉(zhuǎn)體為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)。直線OM為翻轉(zhuǎn)過(guò)程中翻轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)到翻轉(zhuǎn)載荷G之間的力臂，結(jié)合圖4可以推導(dǎo)翻轉(zhuǎn)載荷力臂同各鉸點(diǎn)和油缸運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系。

根據(jù)翻轉(zhuǎn)過(guò)程力矩平衡，油缸提供的翻轉(zhuǎn)力矩應(yīng)等于翻轉(zhuǎn)載荷所需的力矩。

F1×lOD+F2×lOE=G×lOM

(1)

式中：F1、F2分別為油缸1、油缸2支撐力。

根據(jù)三個(gè)翻轉(zhuǎn)階段，結(jié)合式(1)分析力矩平衡。

(1) 翻轉(zhuǎn)階段一：翻轉(zhuǎn)體從開(kāi)模狀態(tài)(0°)翻轉(zhuǎn)至80°。

此階段兩個(gè)翻轉(zhuǎn)油缸均為伸出運(yùn)動(dòng)，均提供推力。根據(jù)力矩平衡：

(2)

式中:l0為翻轉(zhuǎn)油缸1收回初始位置的長(zhǎng)度值；t為從開(kāi)模狀態(tài)計(jì)時(shí)的運(yùn)動(dòng)時(shí)刻；l0′為翻轉(zhuǎn)油缸2收回初始位置的長(zhǎng)度值，

(2) 翻轉(zhuǎn)階段二：翻轉(zhuǎn)體從80°翻轉(zhuǎn)至129°。

此階段分為兩個(gè)小階段。階段一：翻轉(zhuǎn)體從80°翻轉(zhuǎn)至127°。此階段油缸1變?yōu)榭s回行程，提供拉力。油缸2仍為伸出運(yùn)動(dòng)，提供推力。階段二：翻轉(zhuǎn)體從127°翻轉(zhuǎn)至129°。此階段翻轉(zhuǎn)載荷重心已經(jīng)繞過(guò)翻轉(zhuǎn)中心，力矩方向反向。油缸1仍為縮回行程，但是提供推力。油缸2仍為伸出運(yùn)動(dòng)，提供拉力。根據(jù)力矩平衡有：

(3)

式中：l0max為翻轉(zhuǎn)油缸1最大伸出長(zhǎng)度值；t′為油缸達(dá)到最大伸出長(zhǎng)度后開(kāi)始縮回行程計(jì)時(shí)的運(yùn)動(dòng)時(shí)刻。

(3) 翻轉(zhuǎn)階段三：翻轉(zhuǎn)體從129°翻轉(zhuǎn)至180°。

此階段兩個(gè)油缸均為縮回行程，提供推力。根據(jù)力矩平衡有：

婦科護(hù)理工作具有風(fēng)險(xiǎn)高、責(zé)任性強(qiáng)的特點(diǎn)。伴隨著醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展,患者維權(quán)意識(shí)也有了明顯的增強(qiáng),由于患者對(duì)護(hù)理人員有著較高的要求,導(dǎo)致婦科護(hù)理人員在進(jìn)行護(hù)理工作時(shí)存在安全隱患。本研究中,我們對(duì)婦科護(hù)理人員工作中存在的安全隱患進(jìn)行了分析,提出了相應(yīng)的措施,在實(shí)施相關(guān)對(duì)策以后,護(hù)理人員的護(hù)理質(zhì)量以及患者的滿意度有了明顯的上升,并對(duì)護(hù)理工作中出現(xiàn)的安全隱患給予相應(yīng)的解決,不僅提高了患者滿意度,也極大地降低了婦科安全隱患的發(fā)生,值得在臨床中推廣。

(4)

式中：l0max′為翻轉(zhuǎn)油缸2最大伸出長(zhǎng)度值。

2.3 翻轉(zhuǎn)角速度同油缸運(yùn)動(dòng)速度表征模型

計(jì)算可得到翻轉(zhuǎn)階段一過(guò)程中，翻轉(zhuǎn)體翻轉(zhuǎn)角速度ω同油缸運(yùn)動(dòng)速度V1的關(guān)系：

100}/t

(5)

同理可得到翻轉(zhuǎn)階段二、三過(guò)程中，翻轉(zhuǎn)體翻轉(zhuǎn)角速度ω同油缸運(yùn)動(dòng)速度V1′的關(guān)系：

100}/t

(6)

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 翻轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)過(guò)程油缸力

上述大型風(fēng)電葉片模具翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)油缸初步選型為：缸徑200 mm×桿徑110 mm×行程670 mm。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原始結(jié)構(gòu)參數(shù)：lOA=3 000 mm，lOB=1 000 mm，lOC=1 000 mm，l0=2 760 mm，l0 max=4 000 mm，l1=2520 mm，l0′=2 190 mm，l0 max′=4 000 mm，l1′=3 090 mm，lON=3 000 mm。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)載荷G為40 t。上式中，l0為開(kāi)模狀態(tài)油缸AB初始長(zhǎng)度值，l0 max為油缸AB最大伸出時(shí)長(zhǎng)度值，l1為翻轉(zhuǎn)體翻轉(zhuǎn)至合模狀態(tài)時(shí)油缸AB長(zhǎng)度值。l0′為開(kāi)模狀態(tài)油缸AC初始長(zhǎng)度值，l0 max′為油缸AC最大伸出時(shí)長(zhǎng)度值，l1′為翻轉(zhuǎn)體翻轉(zhuǎn)至合模狀態(tài)時(shí)油缸AC長(zhǎng)度值。

翻轉(zhuǎn)油缸1長(zhǎng)度AB從開(kāi)模初始狀態(tài)，運(yùn)行至最大伸出長(zhǎng)度，再運(yùn)行至合模狀態(tài)，油缸伸出行程為l0 max-l0=1 240 mm，油缸縮回行程為l1-l0 max=-1 480 mm，共計(jì)運(yùn)行行程長(zhǎng)度為2 720 mm。根據(jù)合模時(shí)間7 min計(jì)算，則翻轉(zhuǎn)油缸1運(yùn)行速度V1=-V1′=6.476 mm/s。

同理，翻轉(zhuǎn)油缸2長(zhǎng)度AC從開(kāi)模初始狀態(tài)，運(yùn)行至最大伸出長(zhǎng)度，再運(yùn)行至合模狀態(tài)，油缸運(yùn)行行程長(zhǎng)度為2 720 mm，翻轉(zhuǎn)油缸2運(yùn)行速度V2=-V2′=6.476 mm/s。

3.2 翻轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)仿真及優(yōu)化

徐海涵[1]等通過(guò)推導(dǎo)開(kāi)合模過(guò)程力矩平衡方程，計(jì)算翻轉(zhuǎn)油缸力值，并基于Matlab對(duì)油缸支點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化。樂(lè)韻斐[2]等以奇異點(diǎn)位置處主動(dòng)力矩與負(fù)載力矩差值的最大值為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)Matlab優(yōu)化工具箱對(duì)風(fēng)電葉片模具液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。王宗偉[3]對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，基于Matlab對(duì)液壓缸鉸點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。均為此文翻轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)仿真及優(yōu)化提供了理論參考。

基于ADAMS進(jìn)行優(yōu)化仿真分析。實(shí)例中翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為雙油缸驅(qū)動(dòng)，為簡(jiǎn)化分析，翻轉(zhuǎn)體從0°翻轉(zhuǎn)至油缸2死點(diǎn)位置過(guò)程內(nèi)設(shè)定油缸2驅(qū)動(dòng)，油缸1隨動(dòng)。翻轉(zhuǎn)體從油缸2死點(diǎn)位置翻轉(zhuǎn)至180°過(guò)程內(nèi)，油缸1驅(qū)動(dòng)，油缸2隨動(dòng)。測(cè)量油缸1和油缸2支撐力如圖5所示。

圖5 翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程油缸支撐力測(cè)量值

根據(jù)圖5可知，翻轉(zhuǎn)體從0°翻轉(zhuǎn)至油缸2死點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)過(guò)程內(nèi)，油缸2驅(qū)動(dòng)，油缸1隨動(dòng)，由于翻轉(zhuǎn)載荷力臂同油缸2支撐力臂比值逐漸增大，油缸2支撐力逐漸增大，接近死點(diǎn)位置時(shí)達(dá)到最大值Fmax=1.46E+006 N。翻轉(zhuǎn)體位于油缸2死點(diǎn)位置時(shí)，油缸1力臂減小至0后，又逐漸增大至一定值，因此驅(qū)動(dòng)油缸更換后，由于油缸1力臂大于油缸2力臂，此時(shí)油缸支撐力出現(xiàn)一個(gè)突然減小。從此點(diǎn)翻轉(zhuǎn)至180°運(yùn)動(dòng)過(guò)程內(nèi)，翻轉(zhuǎn)載荷越過(guò)旋轉(zhuǎn)中心，翻轉(zhuǎn)載荷力臂同油缸1支撐力臂比值逐漸增大，油缸1支撐力也逐漸增大。

根據(jù)上述簡(jiǎn)化分析可知，從油缸2死點(diǎn)位置翻轉(zhuǎn)至180°運(yùn)動(dòng)過(guò)程內(nèi)，油缸1支撐力遠(yuǎn)小于前一運(yùn)動(dòng)階段的油缸2支撐力。為便于計(jì)算，只取第一個(gè)運(yùn)動(dòng)階段作為優(yōu)化對(duì)象，即翻轉(zhuǎn)體從0°翻轉(zhuǎn)至油缸2死點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)過(guò)程內(nèi)，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)為油缸支撐力最大值最小。取鉸點(diǎn)C坐標(biāo)值作為設(shè)計(jì)變量，在平面內(nèi)原始坐標(biāo)值為：X=850 mm，Y=1 575 mm，其中X為水平方向，向右為正，Y為豎直方向，向上為正，變量相對(duì)值變化范圍均為[-50,+50]，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，如圖6所示。

圖6 油缸支撐力優(yōu)化計(jì)算測(cè)量曲線

根據(jù)圖6可知，優(yōu)化后油缸力最大值為Fmax=1.2981E+006 N。此時(shí)鉸點(diǎn)C在平面內(nèi)坐標(biāo)值為：X=900 mm，Y=1 550 mm。以此坐標(biāo)值建立點(diǎn)C′，繞翻轉(zhuǎn)中心O，以O(shè)C為半徑畫(huà)圓，OC逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)49°即可得到新的鉸點(diǎn)B′。

3.3 翻轉(zhuǎn)速度控制優(yōu)化

馮消冰[4]等通過(guò)優(yōu)化翻轉(zhuǎn)油缸運(yùn)動(dòng)速度，有效改善了翻轉(zhuǎn)體角速度和角加速度的峰值以及油缸變幅時(shí)的峰值突變量，可提高翻轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，減小沖擊影響。孫后環(huán)[5]等設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)架同步控制系統(tǒng)和算法，實(shí)現(xiàn)液壓控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性控制和兩個(gè)翻轉(zhuǎn)支架的同步翻轉(zhuǎn)。本文考慮通過(guò)控制翻轉(zhuǎn)油缸的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)體的勻速翻轉(zhuǎn)。

翻轉(zhuǎn)體翻轉(zhuǎn)角度共計(jì)180°，按照翻轉(zhuǎn)單程7 min時(shí)間計(jì)算，為保證翻轉(zhuǎn)體勻速翻轉(zhuǎn)，則翻轉(zhuǎn)體角速度為ω=0.43°/s。

根據(jù)式(5)及翻轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算得到翻轉(zhuǎn)階段一過(guò)程油缸速度和時(shí)間t、翻轉(zhuǎn)角速度之間的關(guān)系如下：

V1={103[10-6cos(0.43t+

100)]1/2-2760}/t

(7)

根據(jù)式(6)及翻轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算得到翻轉(zhuǎn)階段二、三過(guò)程油缸速度和時(shí)間t、翻轉(zhuǎn)角速度之間的關(guān)系如下：

|V1′|={4000-103[10-6cos(0.43t+100)]1/2}/t′

(8)

上述可知，翻轉(zhuǎn)階段一油缸伸出速度按照式(7)控制，翻轉(zhuǎn)階段二、三油缸縮回速度按照式(8)控制，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)體勻速翻轉(zhuǎn)。

4 結(jié) 論

詳細(xì)分析了風(fēng)電葉片模具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化翻轉(zhuǎn)油缸鉸點(diǎn)尺寸實(shí)現(xiàn)油缸的承載優(yōu)化，降低設(shè)計(jì)制造成本。同時(shí)提出翻轉(zhuǎn)油缸運(yùn)動(dòng)速度控制策略，提高翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減小安全風(fēng)險(xiǎn)，提高翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及葉片模具使用壽命。

(1) 根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，推導(dǎo)力矩平衡表征模型，得到翻轉(zhuǎn)角速度同油缸運(yùn)動(dòng)速度理論關(guān)系式，為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)及油缸速度控制優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

(2) 基于此文實(shí)例優(yōu)化翻轉(zhuǎn)油缸支撐鉸點(diǎn)，可知在結(jié)構(gòu)尺寸允許條件下，擴(kuò)大鉸點(diǎn)B和C繞翻轉(zhuǎn)中心O的尺寸圓半徑，可有效降低油缸支撐力。

(3) 通過(guò)優(yōu)化控制油缸運(yùn)動(dòng)速度，可有效提高翻轉(zhuǎn)過(guò)程的平穩(wěn)性，減少?zèng)_擊影響。