風(fēng)電葉片表面噴砂處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

田豐，訾克明，江楊，劉國平

（1.中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司工藝技術(shù)部，江蘇連云港222000；2.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇連云港222000）

風(fēng)電葉片表面噴砂處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

田豐1，訾克明2，江楊2，劉國平2

（1.中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司工藝技術(shù)部，江蘇連云港222000；2.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇連云港222000）

噴砂處理是大型風(fēng)電葉片工藝流程中重要的環(huán)節(jié)之一。利用三維可視化軟件UG NX對風(fēng)電葉片的整體噴砂系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在分析了噴砂系統(tǒng)行業(yè)背景的前提下，對噴砂系統(tǒng)噴砂物料進(jìn)行了運(yùn)動分析，確定了其具體性能參數(shù)，并對噴砂機(jī)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)；完成了噴砂裝置的螺旋輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，包括橫縱螺旋輸送機(jī)的螺旋直徑、螺距、葉片形式、槽體、螺旋軸等具體參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算；針對噴砂的落料回收系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的可拆分模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；最后簡單介紹了噴砂系統(tǒng)的除塵、照明和電氣控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)對風(fēng)電葉片行業(yè)的噴砂系統(tǒng)起到了很好的參考作用。

噴砂；傳送機(jī)構(gòu)；葉片

隨著地球上不可再生能源的逐漸枯竭，全世界都認(rèn)識到了可再生能源的重要性，并開始對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高度重視。作為風(fēng)電機(jī)組中最為重要的部件，葉片在風(fēng)電機(jī)組中起著不可替代的作用。一個擁有優(yōu)良設(shè)計(jì)、可靠品質(zhì)和高效性能的風(fēng)電葉片是保證整個風(fēng)電機(jī)組可以正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

通過對風(fēng)電葉片進(jìn)行合理的打磨清理，能有效地提高葉片的表面質(zhì)量，為后續(xù)的噴漆工藝提供基礎(chǔ)。但由于風(fēng)機(jī)葉片尺寸巨大，在噴砂生產(chǎn)過程中，噴砂設(shè)備笨重，工人工作量大，且落砂難以循環(huán)利用，需人工收集，并且容易摻入雜物，導(dǎo)致工作效率低而易造成生產(chǎn)線暫停，無形中增加了生產(chǎn)成本，對機(jī)器也有一定的損傷，同時(shí)，工人的勞動安全也不能得到很好的保障。為了解決上述問題，本課題研究了實(shí)用的風(fēng)電葉片噴砂系統(tǒng)，能有效地減少其制造及加工成本，并且能有效降低作業(yè)強(qiáng)度和粉塵危害，是把作業(yè)人員從高污染，大勞動強(qiáng)度的作業(yè)環(huán)境中解放出來的有效方法。

1　風(fēng)電葉片噴砂系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1噴砂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

基于世界上先進(jìn)的三維可視化軟件UG NX，通過反復(fù)的迭代分析設(shè)計(jì)，確定了圖1所示的風(fēng)電葉片噴砂系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)圖，該設(shè)計(jì)主要由三大系統(tǒng)組成。

（1）輸送系統(tǒng)。包括橫向鉸龍輸送裝置、縱向鉸龍輸送裝置、斗式提升裝置及回收接口裝置等。

（2）噴砂系統(tǒng)。包括噴砂機(jī)、儲料罐及回收設(shè)備、除塵設(shè)備等。

（3）電氣控制系統(tǒng)。主要是由各中電氣元件和PLC可編寫程序控制器組成，如圖1所示。

圖1　葉片噴砂系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖

1.2噴砂系統(tǒng)工作流程

風(fēng)電葉片噴砂系統(tǒng)的工作流程，如圖2所示。

圖2　葉片噴砂系統(tǒng)工作流程圖

2　噴砂系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定[1]

影響著螺旋輸送機(jī)的輸送能力的因素是其基本參數(shù)。砂料的特性決定著螺旋輸送機(jī)中的運(yùn)輸條件、允許的輸送量以及轉(zhuǎn)動速度，所以具有非磨琢性的物料與具有磨琢性的物料比較而言，可以在U型槽中裝的更滿一些，轉(zhuǎn)速可更高些。

（1）物料的運(yùn)動分析

在螺旋運(yùn)輸機(jī)中，物料不會隨著螺旋葉片回轉(zhuǎn)而運(yùn)動，只會在葉片推動下沿著螺旋前行。在運(yùn)輸過程中，物料顆粒的運(yùn)動軌跡會受到螺旋葉片回轉(zhuǎn)的影響，其運(yùn)動軌跡并非一直沿軸向線方向作不變的直線運(yùn)動，而是在隨著螺旋軸一直做著復(fù)合運(yùn)動，是一種空間上運(yùn)動軌跡。

（2）計(jì)算輸送量：

式中：Q為輸送量（t/h）；ψ為物料填充系數(shù)；β0為傾斜系數(shù)；k為螺距與直徑比例系數(shù)，由選定規(guī)格的螺旋輸送機(jī)計(jì)算求值[1]；r為物料容重（t/m3）；n為轉(zhuǎn)速（r/min）；D為螺旋直徑（m）.

根據(jù)調(diào)研生產(chǎn)廠家給出的數(shù)據(jù)得：

樹脂砂的理論容重r：1.6 t/m3；

螺旋直徑D：300 mm.

根據(jù)上式，可計(jì)算得鉸龍滿載荷下理論輸送量：

每根橫向鉸龍理論輸送量：Q=34 t/h；

每根縱向鉸龍縱向理論輸送量：Q=68 t/h.

螺旋直徑可按下式計(jì)算：

式中：Q為輸送量（t/h）；K為物料特性系數(shù)；ψ為物料填充系數(shù)；c為傾斜系數(shù)。

查表得K=0.0558，ψ=0.33，c=1.0.將以上數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得：D≥0.260 m.由此可知：D=300 mm符合輸送要求。

（4）螺距軸螺距的計(jì)算

通常可按下式計(jì)算螺距：

對于標(biāo)準(zhǔn)的螺旋運(yùn)輸機(jī)而言，k值通常取為0.8~1；當(dāng)機(jī)器傾斜放置或運(yùn)輸砂料流動性較差時(shí)，k≤0.8；當(dāng)水平布置時(shí)，k值可以取0.8~1[2].

所以可選取k=1，則螺距s=0.300 m.

2.2噴砂機(jī)的選型設(shè)計(jì)

護(hù)理前，觀察組和對照組兩組患者的在日常生活能力和運(yùn)動功能方面的評分比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；護(hù)理后，觀察組患者的日常生活能力評分為（53.73±14.52），運(yùn)動功能評分為（54.74±25.36）分，均顯著高于對照組患者（41.28±8.39）分的日常生活能力和（36.47±22.98）分的運(yùn)動功能，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

噴砂機(jī)的選型需要根據(jù)噴砂效果、加工效率、加工工件的尺寸、工件的表面粗糙度要求等因素來確定。風(fēng)電葉片的具體工作參數(shù)如下：

（1）葉片表面光澤柔和，沒有反光現(xiàn)象；

（2）葉片表面加工速度需要達(dá)到300 m2/h；

（3）最大加工葉片長約為80 m；

（4）葉片加工表面需要達(dá)到Ra≤15 μm.

綜合上述條件，目前市場上JCK-1100和KPBS -2R1990兩種噴砂機(jī)滿足要求。兩者的參數(shù)比較見表1.

表1　噴砂機(jī)性能比較

對比兩種噴砂機(jī)的性能，最終選擇功率大、效率高的JCK-1100型噴砂機(jī)。

2.3螺旋輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）橫向鉸龍輸送裝置

如圖3所示，橫向輸送裝置由機(jī)架、輸送電機(jī)、減速器、軸承支座和螺旋軸等組成，長5.8 m.按生產(chǎn)需求運(yùn)行，當(dāng)噴砂機(jī)工作三小時(shí)后，橫向鉸龍啟動開始工作。

圖3　橫向鉸龍結(jié)構(gòu)圖

1）機(jī)架為鋼架結(jié)構(gòu)，主要由角鋼構(gòu)成。

2）整個傳輸過程要求輸送平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確。因此，選用附加了圓盤型直流電磁制動器的Y系列立式全封閉自冷籠型異步電動機(jī)，采用三相電源。該電機(jī)擁有運(yùn)行可靠、壽命長、使用維護(hù)方便、性能優(yōu)良、占地小、質(zhì)量小、轉(zhuǎn)動慣量小、用料省等優(yōu)點(diǎn)。

3）減速器采用單級針輪減速機(jī)，可與輸送電機(jī)直接連接。為保證電機(jī)、減速器工作時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，輸送準(zhǔn)確，需將減速器另用支架進(jìn)行固定。

（2）縱向鉸龍輸送裝置

砂料通過橫向鉸龍繼續(xù)向前輸送，自動落入由縱向鉸龍構(gòu)成的縱向輸送線中。由機(jī)架、輸送電機(jī)、減速器、懸掛式軸承支座、螺旋軸和蓋板等構(gòu)成了縱向鉸龍輸送機(jī)構(gòu)。由于提升機(jī)的緣故，軸承支座無法安裝在地面上，所以采用懸掛式軸承支座。縱向鉸龍結(jié)構(gòu)裝置如圖4所示。

圖4　縱向鉸龍結(jié)構(gòu)

2.4落料回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]

為了更加方便噴砂打磨葉片，將回收裝置建在地下，這樣就不會阻礙葉片通過工作區(qū)域，而且這樣做也更加方便工作人員來收集噴砂時(shí)散落的樹脂砂及噴砂過程中產(chǎn)生的灰塵，如圖5所示。本設(shè)計(jì)將回收裝置和系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)一同放入地下，交叉布置，這樣可以均分葉片通過時(shí)的載荷。所以，需要把鉸龍與平板鋼材之間這部分用薄板制成倒“V”字形狀，有利于噴料的堆積與回收。

圖5　可拆分模塊化地板模型

在參考了美國ABB公司的蜂窩地板技術(shù)上，通過多次的優(yōu)化改進(jìn)了系統(tǒng)中所使用的平板鋼材。由于回收裝置中所使用的板材是2 mm后的薄板，很容易損壞或者變形，為了降低制造成本和維修費(fèi)用，將其作為一種可拆卸，可更換的模塊化組合，大大降低了回收設(shè)備的維修成本，節(jié)約了維修時(shí)間。作為模塊化板材，在更換時(shí)無需現(xiàn)場切割與焊接，方便日常維修保養(yǎng)。

2.5除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了及時(shí)地將噴砂打磨清理過程中產(chǎn)生的粉塵吸走，需要安裝除塵系統(tǒng)。這樣可以很好地改善噴砂打磨人員的工作環(huán)境，降低工作區(qū)域內(nèi)的粉塵污染，有利于噴砂打磨人員更好地工作，提高風(fēng)電葉片打磨的工作效率。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用了PL-單機(jī)除塵器作為預(yù)處理裝置，將含有粉塵的氣體吸入除塵器中，粉塵會在機(jī)器內(nèi)經(jīng)過兩級過濾。開始先改變氣流的速度和氣流方向，使粉塵中的大顆粒因?yàn)橹亓ψ饔煤投栊远淙攵逊e箱內(nèi)，再讓初級凈化的氣體進(jìn)入單機(jī)除塵器主體，通過第二次過濾后，使排放灰塵達(dá)到環(huán)保要求排出，從而確保了工作環(huán)境。

2.6照明和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）照明

為了保證噴砂作業(yè)安全和提高打磨清理質(zhì)量，需要安裝照明設(shè)備。在噴砂系統(tǒng)照明中，通常采用防塵防爆燈。根據(jù)風(fēng)電葉片噴砂特征，需要采用側(cè)面照明的方法，一共需要十六盞，一面墻上八盞燈。

主要技術(shù)參數(shù)：

①照明燈規(guī)格：防塵防爆燈（250 W）；

②使用電源：220 V，50 Hz.

（2）電氣控制

本設(shè)備采用PLC控制整個設(shè)備，該控制系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)自動控制（聯(lián)鎖控制），也可實(shí)現(xiàn)每個單元的單獨(dú)控制。在正常工作情況下，操作人員采用自動控制進(jìn)行噴砂作業(yè)，當(dāng)噴砂系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，則需要通過單獨(dú)控制來檢修設(shè)備。

3　結(jié)束語

總結(jié)這次風(fēng)電葉片表面噴砂處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：利用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)速度；通過理論計(jì)算，指導(dǎo)零件尺寸設(shè)計(jì)，提高零件使用周期；參考其他行業(yè)相似成功結(jié)構(gòu)并結(jié)合本行業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)可靠性。

該噴砂系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)改造后，大大地提高了工廠的葉片打磨能力，并極大地改善了工廠的作業(yè)環(huán)境。該系統(tǒng)采用PLC控制，提高了自動化程度，操作方便。整套噴砂系統(tǒng)的運(yùn)行只需2～3名操作人員，每小時(shí)可完成300 m2左右葉片表面處理工作，提高了生產(chǎn)效率，工作車間也較為整潔，減少了環(huán)境污染，產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高。

[1]王世剛，王樹才.機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)踐與創(chuàng)新[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2]李元杰.大型噴砂房磨料回收系統(tǒng)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

Structure Design of Wind Turbine Blade Blasting System

TIAN Feng1，ZI Ke-ming2，JIANG Yang2，LIU Guo-ping2
（1.Zhongfulianzhong Composite Material Group Limited Company Technology Department，Lianyungang Jiangsu 222000，China；2.College of Mechanical Engineering，Huaihai Institute of Techology，Lianyungang Jiangsu 222000，China）

Sand blasting is one of the important parts in the process of large wind turbine blades.The structure design of the whole blasting system of wind turbine blade was made by using UG NX software.Under the premise of the analysis of the blasting system industry background，the movement analysis against the sand blasting material in the sand blasting system is carried out，the specific performance parameters were determined，and the type selection design of sand blasting machine is carried out.The design calculation of the key parts of the spiral conveying system of the blasting equipment is finished.These key parts include spiral diameter，pitch，blade form，tank，spiral shaft，and other specific parameters.The detailed split modular structure design against sand blasting material recovery system is carried out.Finally，dust control，lighting and electric control system of blasting system are introduced briefly.In the sand blasting system of the wind turbine blade industry，the design has played a good role.

sand blasting；transmission mechanism；blade

TH12

A

1672-545X（2016）10-0075-04

2016-07-02

田豐（1982-），男，江蘇徐州人，本科，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。