一體在線真空灌注成型工藝在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用＊

張 朋，霍志偉，李圓圓

（洛陽(yáng)雙瑞風(fēng)電葉片有限公司，洛陽(yáng) 471039）

0 前言

隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，風(fēng)力發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展并成為熱點(diǎn)［1］。目前風(fēng)力發(fā)電葉片多用熱固性樹(shù)脂、固化劑、玻璃纖維、夾心材料等通過(guò)真空輔助灌注工藝成型［2,3］。傳統(tǒng)真空灌注成型工藝主要采用樹(shù)脂和固化劑單組份脫泡或者混合脫泡的方式，脫泡之后結(jié)合移動(dòng)灌注桶的打膠方式，灌注準(zhǔn)備過(guò)程操作繁雜、機(jī)械化水平低、工作量大，整個(gè)灌注成型過(guò)程中，樹(shù)脂打到桶里后暴露在空氣中，因此存在樹(shù)脂與空氣直接接觸的弊端、生產(chǎn)過(guò)程中頻繁發(fā)生樹(shù)脂二次混入氣泡、注膠桶被抽干引入氣泡、樹(shù)脂灑落污染車(chē)間地面等問(wèn)題。葉片制品灌注完成后常常伴隨葉片外表面發(fā)白、主梁邊緣氣泡聚集發(fā)白、芯材邊緣空洞斷續(xù)殘留氣泡、主梁或后緣UD預(yù)制件下連續(xù)氈氣泡、玻纖布搭接縫浸潤(rùn)不良發(fā)白、葉根螺栓套邊緣空腔等質(zhì)量缺陷［4］。

風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)和灌注導(dǎo)流方式比較復(fù)雜，樹(shù)脂浸潤(rùn)過(guò)程有許多不規(guī)則的流動(dòng)和浸潤(rùn)方式，傳統(tǒng)真空灌注工藝在葉片質(zhì)量、樹(shù)脂用量、制造成本、環(huán)境友好等方面存在較大優(yōu)化空間，且葉片長(zhǎng)度越長(zhǎng)、體積越大，葉片生產(chǎn)成本和灌注質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)越高，葉片制造工廠急需一種成本更優(yōu)、質(zhì)量可靠、技術(shù)領(lǐng)先的風(fēng)電葉片真空灌注技術(shù)。

1 研究背景

目前傳統(tǒng)的風(fēng)電葉片成型樹(shù)脂脫泡方式分為單組份脫泡和混合樹(shù)脂脫泡。

（1）樹(shù)脂單組份脫泡：在60~70 ℃密閉的不銹鋼脫泡釜中，通過(guò)電機(jī)攪拌，使用真空泵制造真空環(huán)境下脫泡60~180 min，這種方式又稱(chēng)一次脫泡。工作原理為在60~70 ℃的高溫和低壓下，樹(shù)脂中的氣泡膨脹上浮，在攪拌離心的作用下，氣泡上浮脫離樹(shù)脂或固化劑單組份，從而完成脫泡。

（2）混合樹(shù)脂脫泡：又稱(chēng)為二次脫泡，使用未脫泡的單組份樹(shù)脂和固化劑按一定比例計(jì)量，通過(guò)混膠管混合后在真空脫泡箱中脫泡。工作原理是樹(shù)脂和固化劑混合后，用一定的壓力通過(guò)噴頭注入真空箱中，在壓力差的作用下氣泡上浮。

不管是單組份脫泡還是混合脫泡，脫泡完成后最終都是將樹(shù)脂注入敞口容器，灌注時(shí)利用模具和真空袋膜形成模腔的負(fù)壓，注入樹(shù)脂。在充模過(guò)程中，樹(shù)脂中的氣泡容易造成空氣進(jìn)入、浸潤(rùn)不良等質(zhì)量缺陷，這些缺陷的存在導(dǎo)致纖維浸潤(rùn)性降低，樹(shù)脂與纖維界面粘接性差，造成復(fù)合材料制品強(qiáng)度下降，表面質(zhì)量差［5］，大量氣泡的存在使葉片剪切性能和彎曲性能?chē)?yán)重降低［6］。此外，葉片灌注時(shí)，裝有樹(shù)脂的容器常常需要轉(zhuǎn)運(yùn)、倒桶，也會(huì)將氣泡引入樹(shù)脂，造成灌注缺陷。

基于以上問(wèn)題，研究人員做了大量的研究。結(jié)合現(xiàn)階段研究成果，本文提出了一種適用于風(fēng)電葉片成型過(guò)程的一體在線真空灌注工藝，一體設(shè)備與樹(shù)脂和固化劑IBC桶連接，樹(shù)脂和固化劑通過(guò)多層濾膜將樹(shù)脂或固化劑平鋪，增加脫泡表面積，該技術(shù)可以將樹(shù)脂供應(yīng)、脫泡、混膠、出膠、葉片灌注等集為一體；并取消分散式定點(diǎn)灌注桶，可以在線精準(zhǔn)控制樹(shù)脂溫度、在線連續(xù)樹(shù)脂脫泡與葉片灌注直接供應(yīng)；最終實(shí)現(xiàn)了改善樹(shù)脂組分脫泡效果的目的，提高了葉片灌注質(zhì)量和灌注效率，降低了制造成本和葉片維修成本。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原料

單軸向玻纖布：UDH-1215，單位面積質(zhì)量為 1 215 g/m2，宏發(fā)新材料有限公司；

環(huán)氧樹(shù)脂：Techstorm180，道生天合材料科技有限公司；

環(huán)氧樹(shù)脂固化劑：Techstorm185，道生天合材料科技有限公司；

真空輔助材料、脫模劑、導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布、鋼絲增強(qiáng)管、雙向注膠閥門(mén)、三通注膠閥門(mén)、注膠板、真空袋膜、剪刀、直尺等。

2.2 儀器和設(shè)備

樹(shù)脂脫泡機(jī)：2X-30工業(yè)用樹(shù)脂脫泡機(jī)，東莞市全豐機(jī)械有限公司；

樹(shù)脂打膠機(jī)：XD-302樹(shù)脂打膠機(jī)，HUK；

真空泵：RUFUS旋轉(zhuǎn)葉片式真空泵，型號(hào)R0100，進(jìn)口容量100 m3/h（50 Hz），最大真空度 0.5 mbar，廣州市佛泵真空設(shè)備有限公司；

一體在線灌注機(jī)：HD-2BV60，海德里希（廈門(mén)）真空機(jī)械制造有限公司。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)采用2種方式對(duì)主梁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證脫泡效果、管路連接方式和設(shè)備連接模具灌注時(shí)間與樹(shù)脂用量。2種方法分別為：傳統(tǒng)方式灌注、一體機(jī)設(shè)備脫泡樹(shù)脂在線灌注。

2.4 固化制度

灌注完成后，開(kāi)啟模具加熱控制系統(tǒng)，設(shè)置加熱曲線，開(kāi)啟模具加熱器。使用保溫棉被覆蓋產(chǎn)品表面，若溫度達(dá)到50 ℃以上掀開(kāi)棉被，待放熱峰過(guò)后，重新覆蓋棉被固化，加熱曲線如圖1所示：

圖1 樣品固化曲線

2.5 性能表征

2.5.1 樣品樹(shù)脂分析

樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照GB/T2577-2005《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂含量實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行表征。

2.5.2 差示掃描量熱分析

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度按照GB/T19466.2-2004《塑料差示掃描量熱法》進(jìn)行表征。

3 結(jié)果和討論

3.1 脫泡測(cè)試

樹(shù)脂機(jī)中打出150 ml置于250 ml的燒杯中，將盛有樹(shù)脂的燒杯置于真空干燥箱中10 min測(cè)試，樹(shù)脂混合后脫泡效果如圖2所示。圖2a為一次脫泡，燒杯內(nèi)氣泡高度大于2 mm，且無(wú)持續(xù)氣泡溢出，脫泡等級(jí)判定為二級(jí)；圖2b為一體機(jī)脫泡并循環(huán)10 min，燒杯內(nèi)幾乎無(wú)氣泡，脫泡等級(jí)為零級(jí)。

圖2 混合樹(shù)脂脫泡10 min

3.2 注膠管路布置方式

使用三通注膠閥門(mén)分別將SS面、PS面3個(gè)注膠口連接到1個(gè)注膠管，然后將此注膠管路放置到樹(shù)脂桶中進(jìn)行同時(shí)灌注，灌注時(shí)間為160 min，樹(shù)脂用量為760 kg，與傳統(tǒng)灌注樹(shù)脂用量相同。

3.3 灌注參數(shù)

主梁灌注時(shí)間和樹(shù)脂用量如表1所示：

表1 主梁灌注數(shù)據(jù)表

3.4 成本核算

一體在線灌注工藝項(xiàng)目需要考慮投資設(shè)備、電路連接等方面；原材料成本從樹(shù)脂、鋼絲增強(qiáng)管、三通注膠閥門(mén)、大白桶等分析；或涉及到專(zhuān)業(yè)操作人員的培訓(xùn)費(fèi)用、設(shè)備引入新增費(fèi)用等。

3.4.1 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝固定資產(chǎn)對(duì)比

傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝設(shè)備需求數(shù)量和價(jià)格如表2所示。

表2 傳統(tǒng)方式灌注灌注工藝和一體在線灌注工藝設(shè)備對(duì)比表

從表2可以看出傳統(tǒng)方式灌注設(shè)備有脫泡機(jī)、樹(shù)脂機(jī)、真空泵、空調(diào)、叉車(chē)等設(shè)備，共需168.7萬(wàn)元；而一體在線灌注工藝，機(jī)械設(shè)備共需163.0萬(wàn)元，通過(guò)比較，使用一體在線灌注設(shè)備可節(jié)省5.7萬(wàn)元。

3.4.2 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝的原材料成本對(duì)比

（1）通過(guò)對(duì)SR120傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝殼體灌注樹(shù)脂用量結(jié)果統(tǒng)計(jì)，單支葉片殼體和大梁樹(shù)脂用量平均為3 113kg，而采用一體在線灌注工藝樹(shù)脂用量為3 020 kg，可以看出：?jiǎn)沃~片可節(jié)約93 kg樹(shù)脂。

（2）一體在線灌注時(shí)鋼絲增強(qiáng)管用量與現(xiàn)用幾乎相同；灌注大梁時(shí)，一體在線灌注設(shè)備比傳統(tǒng)方式灌注注膠管路節(jié)約19 m，單支葉片大梁可節(jié)省190元。

（3）單支葉片一體在線灌注設(shè)備比現(xiàn)用管箍多56個(gè)，單支葉片大梁增加56元；膠帶成本增加30元。

（4）傳統(tǒng)方式灌注殼體、大梁不需要三通注膠閥門(mén)，而一體在線灌注工藝灌注殼體需要17個(gè)，灌注大梁需要5個(gè)；單支葉片成本增加440元。

（5）傳統(tǒng)方式灌注用大白桶平均單支殼體和大梁各使用1個(gè)，共需80元；一體在線灌注設(shè)備打出樹(shù)脂通過(guò)一個(gè)緩沖袋連接，灌注單支殼體和大梁可節(jié)省60元。

綜上所述，從材料成本分析，灌注單支殼體和大梁可節(jié)省2 049元，如表3：

表3 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝材料對(duì)照表

3.4.3 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝的能耗

目前灌注用樹(shù)脂需要通過(guò)脫泡釜單組分脫泡60 min，脫泡箱的容量為500 L，單支葉片樹(shù)脂總量為3 660 kg，設(shè)備功率和出膠速度等總能耗為 4 27 kW·h。一體在線灌注分為脫泡入桶和在線灌注2種方式，設(shè)備出膠速度為25 L/min，設(shè)備功率為80kW，能耗為80×4.36=348.8 kW·h，若設(shè)備提前 1 h加熱，總能耗為428 kW·h，表4為傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線脫泡能耗對(duì)照。

表4 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線脫泡能耗對(duì)照表

3.4.4 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線灌注工藝人員

單支葉片殼體總量為3 660 kg，其中樹(shù)脂為 2 809 kg，需要脫泡5.6 h，按2臺(tái)脫泡機(jī)計(jì)算，需要脫泡2.8 h；殼體打膠4人，需要2 h，共8個(gè)工時(shí)；大梁、UD預(yù)制件和腹板分別為4、2、4個(gè)工時(shí)；而使用在線設(shè)備供膠，共需要4.7 h，具體對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線脫泡人員工時(shí)對(duì)照表

除此之外，傳統(tǒng)方式灌注工藝還需配備恒溫房、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，這不僅使成本增加，還可能增加設(shè)備的能耗與維修；而一體在線灌注工藝省去了樹(shù)脂脫泡、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)多個(gè)中間環(huán)節(jié)，減小了因脫泡樹(shù)脂供應(yīng)不足造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述：使用一體在線灌注工藝，固定資產(chǎn)投入節(jié)省5.7萬(wàn)元， 單支葉片材料節(jié)約2 049元，能耗基本相同，操作人員工時(shí)減少約16個(gè)工時(shí)，可節(jié)約240元，SR120單支葉片節(jié)約成本總計(jì)約2 289元，具體對(duì)比 見(jiàn)表6。

表6 傳統(tǒng)方式灌注工藝與一體在線脫泡成本對(duì)比表

4 結(jié)論

（1）采用一體在線脫泡設(shè)備真空脫泡，脫泡效果明顯變好，樹(shù)脂氣泡等級(jí)由二級(jí)提升至零級(jí)。

（2）由于緩沖袋抬高一定距離，減少樹(shù)脂混合脫泡，灌注效率提高，降低制品的含膠量，減少因氣泡缺陷維修造成時(shí)間的浪費(fèi)，并降低樹(shù)脂因灌注時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而發(fā)熱固化的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量快速灌注。

（3）相比傳統(tǒng)方式灌注工藝，一體在線灌注設(shè)備從設(shè)備、材料成本、能耗和人工成本等方面單支葉片降低成本約2 289元。