風電塔筒爬梯導軌型材失效性探討及解決方法

王柳明，張 虎，楊雯婕，劉朝輝

（三河和平鋁材廠有限公司，三河065200）

1 問題分析

風力發電塔筒爬梯型材有多種型號規格，安裝有導軌型材的爬梯屬于軌道式防墜落爬梯。這種爬梯的核心部分由導軌和防墜器組成，其組裝結構如圖1所示。當攀爬人員發生失足墜落時，防墜器鎖扣與導軌實現有效的鎖止，可防止墜落。

導軌型材的合金狀態為6005-T5，由于該型材的特殊使用功能，其力學性能除滿足GB/T 6892-2015中相關規定外，還要進行靜態符合性能測試，即將防墜器與導軌型材組裝后使其處于垂直方向，并在防墜器上以不大于30 mm/min的速率施加力至15 kN并保持3 min。要求試驗結束后導軌型材不能出現撕裂以及嚴重變形等現象，卸載后，防墜器仍能在導軌上正常工作[1]。現部分鋁材廠生產的型材在進行靜態符合性能測試時出現開裂，見圖2。本文目的是找出型材開裂的原因，解決因型材開裂導致型材無法正常安裝使用的問題。

2 原因分析

產品應用及測試過程中的關鍵受力點如圖3所示。

經受力分析可知，a點與b點位置為關鍵受力點，經計算a點受力大約為10 kN，a點受力方向如圖3所示。圖2所示的開裂點正好臨近a點且處于a點的受力方向，由此可以確定型材開裂是由于受力后導致型材開裂。若想解決型材開裂問題，必須提高型材強度且保證開裂位置不能處于擠壓焊合位置。

鑒于上述導軌型材開裂原因的基本分析，我們決定從影響型材強度的化學成分、力學性能以及模具設計這三個方面探尋其最終影響因素[2-3]。

2.1 合金化學成分分析

導軌型材合金狀態為6005-T5，其化學成分分析結果如表1所示。從表中可以確定，型材化學成分符合相關標準要求。

表1 導軌型材（6005合金）化學成分（質量分數/%）

2.2 力學性能分析

我公司多次調整了該型材的擠壓工藝，最終摸索出一組合理的擠壓工藝，具體參數見表2。采用該工藝生產出的導軌型材力學性能檢測結果（見表3）表明，試驗數據完全符合且遠高于相關標準要求的規定[3]。

表2 導軌型材擠壓生產工藝制度

表3 導軌型材力學性能檢測

在對型材的化學成分進行檢驗和調整擠壓生產工藝后，我公司對重新生產的型材進行靜態符合性能測試，但試驗結果仍出現開裂，沒有任何改善。

2.3 焊合位置分析

通過上述原因排查后，我們最終將問題的重點集中在模具設計方法上。在型材開裂位置切取樣料并制成低倍試樣，參照相關標準進行低倍檢驗[4]。從圖4低倍組織圖中可以觀察到在箭頭位置的端面存在明顯焊合痕跡。

為進一步確認型材的開裂位置與擠壓焊合位置吻合，我們分析了模具橋位布局圖（見圖5），可以確認型材焊合位置與模具橋位布局位置一致。經查閱相關資料[5-6]，最終找出型材開裂的原因是由于型材在進行靜態符合性能測試時，因焊合位置受力過大，導致型材開裂。

3 調整方案及效果

為了解決導軌型材在使用過程中的開裂問題，需要對模具結構進行調整，以改變型材的焊合位置，調整后的模具結構如圖6所示。采用與表2相同的擠壓生產工藝生產兩組試樣，并分別在產品的頭、中、尾取樣進行力學性能試驗和低倍檢測，其結果分別見表4和圖7。

表4 6005-T5型材力學性能測試

對更改焊合位置的型材進行靜態符合性能測試時，型材未出現開裂的情況，只有輕微凸起，防墜器卸載后可以自由滑動。因此可以確定導致型材開裂的原因是模具橋位布局不合理，使焊合位置正處于主要受力部位。

通過對模具橋位布局優化后，所生產型材靜態符合性能結果完全符合要求，徹底解決了導軌型材開裂問題。

4 結論

針對風力發電塔筒內爬梯導軌型材在使用過程中出現的失效開裂問題，從型材合金的化學成分、力學性能、模具設計方法這三個方面進行了分析研究，最終找出導致型材開裂的原因：由于模具橋位布局不合理，使焊合位置正處于主要受力部位，當對型材進行靜態符合性能測試時，焊合位置因受力過大，導致型材開裂。

明確了導軌型材開裂問題主要是集中在模具設計方法后，我們及時調整了模具設計方法，對模具橋位布局進行了優化。模具優化后所生產的型材靜態符合性能測試的結果完全符合測試和使用要求，徹底解決了導軌型材開裂問題。