數(shù)控下料誤差對(duì)塔架法蘭平面度的影響及控制*

林定果，何衛(wèi)東，門(mén)永卿，張 鴻，張劍琴

(1.酒鋼集團(tuán) 西部重工股份公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100； 2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

塔架是連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要部件，它承受了風(fēng)力作用在葉輪上的推力、扭矩、彎矩、陀螺力矩，電機(jī)振動(dòng)及受力變化時(shí)也會(huì)引起塔架擺動(dòng)。法蘭則是塔架之間連接的關(guān)鍵部件，既要承受發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的各種力矩，同時(shí)要保證塔架整體的垂直度、同軸度等幾何尺寸保持在設(shè)計(jì)要求的誤差范圍之內(nèi)。

在風(fēng)電塔架制造過(guò)程中，只有控制好塔段的法蘭平面度和塔段各筒節(jié)的同軸度、垂直度，才能保證整個(gè)風(fēng)電機(jī)組整體質(zhì)量可靠、吊裝過(guò)程順利、投入使用后運(yùn)行平穩(wěn)。而在塔架制作過(guò)程中，塔架筒體數(shù)控下料誤差是影響法蘭平面度的最重要因素，直接決定了法蘭平面度的幾何指標(biāo)狀況[1]。

筆者以遠(yuǎn)景能源EN141/2.5型塔架的上段直形筒體為例，首先展開(kāi)下料設(shè)計(jì)圖形和下料超差圖形，再對(duì)筒體卷制成型后的筒體端面平面度進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)二者筒體端面平面度對(duì)比，探討塔架數(shù)控下料誤差對(duì)法蘭平面度的影響。

1 風(fēng)電塔架結(jié)構(gòu)形式及相關(guān)要求

風(fēng)電塔架是由若干節(jié)筒體連接法蘭組焊成若干段塔筒，在風(fēng)電安裝現(xiàn)場(chǎng)使用高強(qiáng)螺栓連接各段塔筒法蘭而成。塔筒筒節(jié)有直形和錐形兩種筒體，筒體是鋼板經(jīng)數(shù)控切割下料后卷制成筒節(jié)并焊接成型，由于數(shù)控切割機(jī)切割筒節(jié)程序、設(shè)備精度、保養(yǎng)狀況等因素影響，塔架法蘭平面度幾何尺寸時(shí)有超標(biāo)現(xiàn)象。

依據(jù)風(fēng)電塔架制造檢驗(yàn)規(guī)范要求[2]，塔筒數(shù)控下料后的鋼板寬度誤差≤2 mm，對(duì)角線(xiàn)誤差≤3 mm，測(cè)量方法及數(shù)據(jù)值如圖1所示。下料公差(單位mm)：F±2，E±2； 板寬之差J≤2 ；|M1-M2|≤3 。

圖1 板材切割尺寸檢測(cè)

依據(jù)風(fēng)電塔架制造技術(shù)規(guī)范要求[3]，塔架頂部法蘭平面度為0.5 mm，其它連接法蘭平面度為1.5 mm，而由于塔筒筒體數(shù)控下料的超差，雖然可能只是在5 mm以?xún)?nèi)，但仍然造成法蘭平面度的超差。

2 幾種常見(jiàn)塔筒直形筒體展開(kāi)下料誤差

2.1 塔筒直形筒體展開(kāi)

塔筒直形筒體依據(jù)平行線(xiàn)展開(kāi)法展開(kāi)，按照筒體板厚中徑展開(kāi)，筒體展開(kāi)圖為矩形，矩形長(zhǎng)度L=φ(筒體中徑)× π，以EN141/2.5型塔架為例，塔架上段第一節(jié)(S1)筒體如圖2所示。

圖2 筒體尺寸及展開(kāi)圖

直形筒體的上下端面邊沿線(xiàn)展開(kāi)后為平行的矩形兩長(zhǎng)邊(筒體中徑φ3 640 mm，高度2 000 mm；展開(kāi)圖為矩形，長(zhǎng)度11 435.397 mm，寬度2 000 mm)，矩形兩條長(zhǎng)邊的平行度及直線(xiàn)度決定了筒體上下端面的平面度，矩形長(zhǎng)度決定了筒體直徑誤差，長(zhǎng)邊與短邊的垂直度決定了筒體縱縫的垂直度。

2.2 常見(jiàn)直形塔筒筒體展開(kāi)下料誤差圖形

2.2.1 料寬度誤差

由于數(shù)控切割機(jī)軌道平行度偏差等原因，造成筒體展開(kāi)料寬度超寬或超窄等缺陷，如圖3所示。圖3中的實(shí)線(xiàn)部分為設(shè)計(jì)筒體展開(kāi)圖，虛線(xiàn)部分是超寬或超窄部分， 圖中J為設(shè)計(jì)寬度，J0為下料切割后的鋼板寬度，圖3(a)中J0=J+J1+J2，圖3(b)中J0=J-J1-J2。

圖3 直形筒體展開(kāi)誤差示意圖

在實(shí)際數(shù)控下料中，J1和J2有可能有一個(gè)數(shù)據(jù)為0 mm，即可能矩形長(zhǎng)度方向單邊超寬或超窄。

2.2.2 料長(zhǎng)度方向直線(xiàn)度誤差

由于數(shù)控切割機(jī)軌道直線(xiàn)度偏差及主副機(jī)頭鎖緊裝置問(wèn)題等原因，造成筒體展開(kāi)料長(zhǎng)度方向?qū)捳灰坏热毕荩鐖D4所示。圖4中的實(shí)線(xiàn)部分為設(shè)計(jì)筒體展開(kāi)圖，虛線(xiàn)部分是直線(xiàn)度誤差部分及展開(kāi)料24等分線(xiàn)， 圖中J為設(shè)計(jì)寬度，Ja1和Ja2為下料切割后的鋼板超寬尺寸，Jb1和Jb2為下料切割后的鋼板超窄尺寸，圖4中的直線(xiàn)超差值為Ja1+Jb1或?yàn)镴a2+Jb2。

圖4 不同情況誤差示意圖

在實(shí)際數(shù)控下料中，Ja1+Jb1和Ja2+Jb2有可能有一個(gè)和值為0 mm，即可能矩形長(zhǎng)度方向單邊直線(xiàn)度超寬或超窄。

2.2.3 料矩形對(duì)角線(xiàn)(平行四邊形)誤差

由于數(shù)控切割機(jī)的主梁扭曲、軌道齒輪問(wèn)題、主副機(jī)頭鎖緊裝置問(wèn)題、鋼帶缺陷等原因，造成筒體展開(kāi)料矩形對(duì)角線(xiàn)誤差缺陷，如圖5所示。圖5中的實(shí)線(xiàn)部分為設(shè)計(jì)筒體展開(kāi)圖，虛線(xiàn)部分是矩形對(duì)角線(xiàn)誤差部分，J為設(shè)計(jì)寬度，E和F為筒體下口和上口展開(kāi)長(zhǎng)度，E1、E2和F1、F2為筒體下口和上口展開(kāi)長(zhǎng)度誤差，M1和M2為展開(kāi)料對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，M1=M2，Ma0和Mb0為數(shù)控下料后對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，Ma0>M1(M2)，Mb0

圖5 直形筒體展開(kāi)料矩形對(duì)角線(xiàn)(平行四邊形)誤差示意圖

在實(shí)際數(shù)控下料中，可能存在一個(gè)方向或兩個(gè)方向的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度大于或小于設(shè)計(jì)值，或一個(gè)方向?qū)蔷€(xiàn)長(zhǎng)度大于設(shè)計(jì)值而另一個(gè)方向的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度等于設(shè)計(jì)值，或一個(gè)對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度小于設(shè)計(jì)值而另一個(gè)方向的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度等于設(shè)計(jì)值，即F1和F2不等于0 mm，而E1和E2可能等于0 mm，或E1和E2不等于0 mm，而F1和F2可能等于0 mm。

2.2.4 料矩形對(duì)角線(xiàn)(梯形)誤差

由于數(shù)控切割機(jī)主梁扭曲、軌道齒輪問(wèn)題、主副機(jī)頭鎖緊裝置問(wèn)題、鋼帶缺陷等原因，造成筒體展開(kāi)料矩形對(duì)角線(xiàn)誤差缺陷，如圖6所示。圖6中的實(shí)線(xiàn)部分為設(shè)計(jì)筒體展開(kāi)圖，虛線(xiàn)部分是矩形對(duì)角線(xiàn)(梯形)誤差部分， 圖中J為設(shè)計(jì)寬度，E和F為筒體下口和上口展開(kāi)長(zhǎng)度，E1、E2和F1、F2為筒體下口和上口展開(kāi)長(zhǎng)度誤差，M1和M2為展開(kāi)料對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，M1=M2，M01和M02為數(shù)控下料后對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，M01和M02分別大于和小于M1(M2)。

圖6 直形筒體展開(kāi)料矩形對(duì)角線(xiàn)(梯形)誤差示意圖

在實(shí)際數(shù)控下料中，可能存在一個(gè)方向或兩個(gè)方向的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度大于或小于設(shè)計(jì)值，或一個(gè)方向?qū)蔷€(xiàn)長(zhǎng)度大于設(shè)計(jì)值而另一個(gè)方向的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度等于設(shè)計(jì)值，或一個(gè)對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度小于設(shè)計(jì)值而另一個(gè)方向的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度等于設(shè)計(jì)值，即F1和F2不等于0 mm，而E1和E2可能等于0 mm，或E1和E2不等于0 mm，而F1和F2可能等于0 mm。

2.2.5 對(duì)比總結(jié)

以上四種誤差缺陷在實(shí)際制造過(guò)程中，可能單獨(dú)出現(xiàn)，也有可能兩種或兩種以上缺陷誤差同時(shí)出現(xiàn)，因此要根據(jù)數(shù)控下料后的誤差數(shù)值，及時(shí)修復(fù)數(shù)控切割機(jī)。檢查數(shù)控程序、軌道直線(xiàn)度和平面度，保證正副機(jī)頭運(yùn)行正常，鋼帶無(wú)缺陷，并定期進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，保證數(shù)控切割質(zhì)量符合技術(shù)規(guī)范要求。

3 直形塔架筒體數(shù)控下料誤差對(duì)塔架法蘭平面度影響

通過(guò)塔架直形塔筒筒體展開(kāi)下料誤差與原設(shè)計(jì)筒體展開(kāi)圖的比對(duì)，找出原設(shè)計(jì)筒節(jié)展開(kāi)圖與誤差變形后筒節(jié)展開(kāi)圖之間的高度差值，使用EasyLaser平面度分析軟件，分析筒節(jié)端面(文中按筒節(jié)與法蘭接口端面分析)平面度，查找與塔架技術(shù)規(guī)范中要求的法蘭平面度的差異，從而確定塔筒筒節(jié)展開(kāi)下料誤差范圍，控制塔筒筒節(jié)數(shù)控下料質(zhì)量，提高塔筒法蘭平面度質(zhì)量。

以EN141/2.5型塔架上段第一節(jié)(S1)筒節(jié)為例進(jìn)行分析，上口(以上圖中矩形F邊)與塔筒連接法蘭連接，根據(jù)數(shù)控下料的各種誤差情況，按照24點(diǎn)測(cè)量分析筒節(jié)上口平面度，平面度測(cè)量點(diǎn)及對(duì)應(yīng)展開(kāi)圖測(cè)量點(diǎn)如圖7所示。

圖7 法蘭平面度測(cè)量點(diǎn)示意圖

圖7中的實(shí)線(xiàn)部分為設(shè)計(jì)筒體展開(kāi)圖，虛線(xiàn)部分是筒節(jié)展開(kāi)24等分線(xiàn)，J為設(shè)計(jì)寬度，F(xiàn)為筒體上口展開(kāi)長(zhǎng)度，筒節(jié)測(cè)量點(diǎn)為24個(gè)點(diǎn)，1點(diǎn)為起始點(diǎn)，24點(diǎn)為最終點(diǎn)，對(duì)應(yīng)展開(kāi)圖中的1～24點(diǎn)；圖7(b)中左邊的第一點(diǎn)為起始點(diǎn)，最右邊的第一點(diǎn)在筒節(jié)卷制后與左邊的第一點(diǎn)重合，如展開(kāi)圖中兩點(diǎn)寬度J數(shù)值不同，卷制合口是以F直線(xiàn)對(duì)齊，保證與法蘭接口焊縫平直。

通過(guò)比對(duì)筒節(jié)上口下料形狀誤差與筒節(jié)下料展開(kāi)上口設(shè)計(jì)形狀之間的24等分點(diǎn)高度差值，即圖3、4中的J1、Ja1與J的24等分點(diǎn)差值，再使用平面度分析軟件模擬筒節(jié)上口平面度，得出筒節(jié)上口平面度，從而判定筒節(jié)數(shù)控下料誤差對(duì)法蘭平面度的影響，最終得出如下結(jié)論。

(1) 直形筒節(jié)寬度誤差對(duì)法蘭平面度的影響。

從圖3的直形筒節(jié)寬度誤差分析發(fā)現(xiàn)，筒節(jié)上口為一直線(xiàn)，卷制成筒節(jié)后，對(duì)筒節(jié)平面度沒(méi)有影響，僅是影響筒節(jié)的同軸度。

(2) 直形筒體展開(kāi)料矩形對(duì)角線(xiàn)(平行四邊形)誤差對(duì)法蘭平面度的影響。

從圖5的直形筒體展開(kāi)料矩形對(duì)角線(xiàn)(平行四邊形)誤差分析發(fā)現(xiàn)，筒節(jié)上口也為一直線(xiàn)，卷制成筒節(jié)后，對(duì)筒節(jié)平面度沒(méi)有影響，只是影響筒節(jié)的同軸度和縱縫垂直度。

(3) 直形筒體展開(kāi)料矩形對(duì)角線(xiàn)(梯形)誤差對(duì)法蘭平面度的影響。

分析直形筒體展開(kāi)料矩形對(duì)角線(xiàn)(梯形)誤差，筒節(jié)卷制后，由于展開(kāi)上下口邊長(zhǎng)不同，筒節(jié)上下口直徑大小不同，筒節(jié)成型后為錐形筒節(jié)，如圖8所示，圖8(a)為F>E，圖8(b)為F

圖8 直形筒體展開(kāi)料矩形對(duì)角線(xiàn)(梯形)誤差示意圖

(4) 直形筒體展開(kāi)料長(zhǎng)度方向直線(xiàn)度誤差對(duì)法蘭平面度的影響。

依據(jù)直形筒體展開(kāi)料長(zhǎng)度方向直線(xiàn)度誤差的展開(kāi)圖形，模擬筒節(jié)卷制成型，使用EasyLaser平面度分析軟件分析筒節(jié)上口平面度，得出直形筒體展開(kāi)料長(zhǎng)度方向直線(xiàn)度各種誤差所對(duì)應(yīng)的平面度數(shù)值，模擬測(cè)量數(shù)值如表1。

表1 不同尺寸誤差對(duì)應(yīng)平面度模擬測(cè)量數(shù)值表

通過(guò)表1平面度測(cè)量結(jié)果比對(duì)發(fā)現(xiàn)，直形筒體展開(kāi)料長(zhǎng)度方向波浪形誤差對(duì)塔架平面度有較大影響，筒節(jié)展開(kāi)誤差點(diǎn)越多影響越大，筒節(jié)展開(kāi)誤差值與筒節(jié)平面度誤差值成正比。

4 塔筒直形筒體展開(kāi)下料誤差的控制

通過(guò)以上塔筒直形筒體展開(kāi)下料的誤差與塔筒筒節(jié)端面平面度的比對(duì)發(fā)現(xiàn)，直形筒體展開(kāi)料長(zhǎng)度方向直線(xiàn)度誤差對(duì)塔筒法蘭平面度影響較大，特別是筒體展開(kāi)料長(zhǎng)度方向波浪形誤差對(duì)法蘭平面度影響最大，波浪形誤差值是法蘭平面度值的2倍，筒體展開(kāi)料長(zhǎng)度方向直線(xiàn)度誤差在2個(gè)點(diǎn)以?xún)?nèi)時(shí)(圖4)，誤差值是法蘭平面度值的1.2倍，其它塔筒直形筒體展開(kāi)下料的誤差對(duì)法蘭平面度影響較小。

因此，塔筒數(shù)控下料時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制塔筒展開(kāi)料直線(xiàn)度誤差，誤差不得超過(guò)±2 mm，并確保誤差同時(shí)為正差或負(fù)差，不得有正差和負(fù)差同時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象，嚴(yán)禁波浪形直線(xiàn)度誤差出現(xiàn)，與塔筒頂部法蘭相接的筒節(jié)的數(shù)控下料誤差應(yīng)在1 mm以?xún)?nèi)。對(duì)于錐形塔筒，塔筒筒節(jié)展開(kāi)后，上口扇形弧線(xiàn)的光滑度與直形塔筒展開(kāi)料直線(xiàn)度相同，弧線(xiàn)光滑起伏的高度誤差，決定著塔筒法蘭的平面度，都應(yīng)控制在2 mm(頂部法蘭相接筒體為1 mm)以?xún)?nèi)。

通過(guò)與法蘭相接筒節(jié)數(shù)控下料誤差的控制，可有效控制塔筒法蘭平面度，使塔架滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

在總結(jié)多年塔架法蘭平面度管控的基礎(chǔ)上，探討了幾種常見(jiàn)塔筒直形筒體展開(kāi)下料誤差的原因，分析了直形塔架筒體數(shù)控下料誤差對(duì)塔架法蘭平面度的影響。塔筒直形筒體展開(kāi)下料誤差的控制應(yīng)該通過(guò)采用數(shù)控編程技術(shù)、使用精度較高的數(shù)控切割機(jī)、選擇合理的切割參數(shù)等一系列措施，確保板材四周的切口垂直度以及外觀光滑平整，這些措施可有效控制筒節(jié)數(shù)控下料誤差標(biāo)準(zhǔn)，從而有效解決塔架法蘭平面度超標(biāo)問(wèn)題。