風電螺桿保護套自動套裝系統設計

胡曉珍,斯周炬

(浙江海洋大學,浙江 舟山 316022)

隨著近年來我國風電行業的快速發展,風電螺桿作為風力發電機組的重要組成部分之一,其市場需求不斷增加的同時競爭也更加激烈。風電螺桿制造企業需要不斷提高技術水平和產品質量,以保持競爭優勢[1-2]。風電地腳螺栓桿是基礎混凝土內的預埋構件,用于風力發電機鋼制塔筒和基礎連接固定。如果直接使用極易產生腐蝕、生銹等損傷,產生嚴重的安全隱患,出現安全事故將造成巨大經濟損失。所以風電螺桿的防腐質量將直接影響到風電螺桿乃至風電設備的安全性及使用壽命[3]。

為提高風電地腳螺桿的防腐性能,一般采用添加防腐材料與保護套,以提高螺桿的長效防護能力。當前一般采用螺桿外包一層防腐帶,再套上PP-R套管與基礎混凝土隔離。由于套管徑應較地腳螺桿直徑大4～5 mm,螺桿套管與螺桿之間存在空隙,灌漿安裝中螺桿套管上下容易漏漿,一旦地腳螺桿漏漿,螺桿的該處將產生預應力損失,在風機運轉過程中,該處會承受附加作用力,當超過混凝土的抗拉強度時,該處會發生裂縫,進而影響基礎的結構安全[4]。因此為防止水泥漿漏到空隙,致使螺桿在施加預應力時產生預應力損失,影響螺桿受力性能,需要在螺桿兩端增設熱縮管,將螺桿和混凝土完全隔離開來,保證地腳螺桿套管的密封性。

由于風電螺桿的防腐帶的纏繞和保護套套管工藝的復雜性,目前國內一般采用人工進行風電螺桿的防腐帶的纏繞和保護套的套管。整個過程勞動強度大,生產效率低,質量不可控,安全性低。因此開展螺桿保護套自動套裝的研發,開發一種工藝步驟少、危險性低、結構簡單合理、生產效率高、加工過程自動化的螺桿保護套自動套裝生產設備,對提高風電螺桿的防腐質量,提升企業自動化生產的轉型升級,增強企業的市場競爭力,具有很高的社會經濟效益和現實意義。

1 風電地腳螺桿保護套套裝工藝步驟分析

1.1 風電地腳螺桿及套管形狀

本次研究裝置的套裝風電螺桿規格:直徑和長度為φ39 mm×4 355 mm,兩端各有一段螺紋,其規格為M39 mm×300 mm(見圖1)。

圖1 風電地錨螺桿

風電螺桿中間纏繞一層防腐帶后,套上黑色PP-R長保護套管(見圖2),螺紋與光桿接頭處套上熱縮管,加熱熱縮管,以密封套管,最后兩端套上短套管,套裝完成后的螺桿成品如圖3所示。中間長保護套管規格為φ44 mm×3 755 mm,兩端短套管規格為φ42 mm×350 mm,熱縮管規格為φ50 mm×150 mm。

圖2 套管

1.2 風電地腳螺桿保護套套裝工藝流程

螺桿套裝工藝如下:螺桿棒料→防腐帶纏繞、切斷→黑色長保護套套管→熱縮管套管→加熱熱縮管→兩端保護套套管→套裝成品。

分析整個套裝工藝流程,套裝完成主要分為兩個階段:1)防腐帶纏繞,套中間長保護套;2)加熱熱縮套管,套兩端保護套。由于考慮加熱熱縮管時的安全性,需要獨立的套管平臺,所以設計自動化套管工藝時需要分兩段進行。在自動化套管裝置設計時需要考慮眾多的步驟和因素,本文設計自動化套管裝置主要完成第1階段動作。

結合上述螺桿套裝工藝,本文設計的風電螺桿保護套自動套裝完成的加工工藝步驟如圖4所示。

圖4 保護套自動套裝完成的加工工藝步驟

2 螺桿自動套裝流水線的總體方案

螺桿自動套裝系統是一種典型的非標自動化設備,是一種要求生產效率高,能自動完成送料、纏繞、切斷、套管、卸料全過程自動化的螺桿套裝生產設備,每小時套裝70～80件。為達到國外同類生產線的效率及產品質量,要求設計的螺桿自動套裝流水線具有如下性能[5]:1)套裝產量高而且穩定;2)整個加工過程簡單可靠,自動化程度高;3)高效節能,調整較方便;4)操作安全,控制方便,便于監控。

總結參考國內外膠帶纏繞機構設計[6～8],防腐帶纏繞可以采用2種方法:一種是螺桿旋轉,防腐帶壓緊并移動;另一種是螺桿不動,防腐帶旋轉并移動。為保證防腐帶在螺桿上呈螺旋狀均勻纏繞,方便后續套管定位,采用第1種方法比較合理。綜合分析套裝工藝及流水線性能要求,制定風電螺桿保護套自動套裝流水線的布局方案(見圖5)。加工完成的螺桿放置在堆料槽中,同時套管也堆積在另一個堆料槽中。通過上料裝置將螺桿與套管分別傳送到待工作區域,纏繞機構與旋轉電機同時工作將防腐帶均勻纏繞在螺桿上,繞完規定長度后剪斷。之后通過套管機構完成套管動作,最后將套裝好的螺桿通過下料裝置完成卸料,等待下一環節。

圖5 自動套裝流水線的布局

3 螺桿自動套裝系統各部分結構設計

自動套裝系統機械部分結構包括螺桿及套管的上料機構、螺桿旋轉定位機構、纏繞剪切機構、套管機構、套管螺桿下料機構。保證能自動完成供料、纏繞、套管、卸料。各部分具體結構設計如下。

3.1 上料機構設計

系統需要設計螺桿和套管兩處自動上料機構。工作開始需要把風電螺桿傳送到包裝臺上,之后進行防腐帶纏繞環節。風電螺桿上料機構具體設計如圖6所示。將風電螺桿放置于堆料槽中,堆料槽為一個傾斜坡,在重力的作用下風電螺桿會滾到堆料槽最前方。在堆料槽最前方下端放置兩個液壓抬升裝置,通過液壓缸的推動,頂料塊將最前方的風電螺桿抬升一定高度,使其剛好能夠順著斜坡滾落到包裝臺上。為了防止一次抬升多根風電螺桿,頂料塊在安裝時與堆料槽內測距離L應滿足:0.6d

圖6 風電螺桿上料機構

中間套管上料機構和螺桿上料機構類似(見圖7),只是裝置整體長度要比螺桿上料機構短。

圖7 套管上料機構

3.2 旋轉定位裝置設計

螺桿旋轉定位裝置設計如圖8所示。通過液壓缸控制旋轉電機裝置位置。待風電螺桿傳送到包裝臺上,旋轉電機裝置隨導軌向前移動,卡爪通過卡爪氣缸固定風電螺桿。卡爪與旋轉電機由聯軸器相連接,帶動風電螺桿做旋轉運動。卡爪底部為一層橡膠墊,可進行拆卸替換,避免在夾緊旋轉過程中卡爪損壞螺桿螺紋。同時在后續套管環節中,需要借助外部裝置定位風電螺桿。所以在裝置前端設有一組升降裝置,由擋板氣缸推動擋板頂住風電螺桿協助完成套管環節,同時兩側設有導桿防止擋板頂偏。

圖8 旋轉定位裝置

3.3 纏繞機構設計

防腐帶纏繞機構設計如圖9所示。防腐帶固定在纏繞臂上,在其前方設有一個引導輥,將防腐帶通過引導輥引至壓輥處并適當預留出一定長度。在纏繞臂下方安裝一組滑塊裝置和伸縮氣缸,在纏繞環節前,纏繞臂通過伸縮氣缸向前移動;纏繞完成后氣缸縮回,纏繞臂向后移動。整個纏繞機構通過升降滑塊固定在纏繞架上。升降滑塊控制纏繞臂的高度,其高度是可以進行人為調整的,保證纏繞時與風電螺桿處于同軸內。

圖9 防腐帶纏繞裝置

卷邊及剪切裝置設計如圖10所示,為表示清楚,隱藏了側面機架。卷邊作業由壓輥完成,能夠環繞風電螺桿做整周旋轉運動;剪切作業由一個動刀片和一個定刀片完成,當動刀片逆時針快速旋轉過定刀片位置時,由于兩個刀片之間有一定角度,能夠實現防腐膠帶的剪切。動刀片安裝在固定塊上,固定塊與壓輥安裝在扇形齒墊片上,由齒輪帶動扇形齒墊片運動。由于扇形齒墊片呈半月型,當旋轉到一定位置時脫離齒輪控制,故設計兩個齒輪傳動通過伺服電機進行控制運動。

圖10 卷邊及剪切裝置

纏繞裝置與套管裝置獨立工作,但考慮到實際操作空間,采用龍門式支架(見圖11)。將兩款絲杠滑臺裝置分別安裝在上下端:纏繞機構滑臺安裝在龍門支架底部,通過一臺纏繞絲杠電機控制絲杠旋轉,從而帶動纏繞機構進行平移運動;套管機構滑臺安裝在龍門支架頂部,同樣通過另一臺套管絲杠電機控制絲杠旋轉,從而帶動套管機構滑塊進行平移運動。

圖11 龍門架

3.4 套管機構設計

套管機構設計如圖12所示,采用機械手夾取套管。為防止機械手與套管之間因摩擦不足而可能產生打滑現象,同時防止套管夾取時發生形變,設計圓管夾取的機械手,在夾取手里端填一層橡膠襯套,并可根據松緊拆卸替換。左右兩個氣動爪頭部連接夾取手,安裝在中間件凹槽處。由于套管機構梁垂直方向固定,因此在中間件與套管機構梁之間設計具有導軌的支撐臂,使絲桿通過電機驅動帶動滑塊,從而使整個套管機構能夠進行垂直運動。

圖12 套管機構

進行套管作業時,電機驅動絲桿使套管機構下降一定高度,通過氣缸驅動,使夾取手處于夾緊狀態,牢牢固定套管,隨后驅動龍門架上的套管絲杠電機進行套管動作。

3.5 下料機構設計

下料機構設計如圖13所示。風電螺桿套管作業完成后,液壓缸帶動斜面頂料塊抬升風電螺桿一定高度,使其剛好脫離凹槽,順著軌道直接進入收集槽。在收集槽表端設有橡膠墊,防止風電螺桿與槽發生碰撞導致螺紋的損壞。

圖13 下料機構

3.6 自動套裝系統總裝

風電螺桿自動套裝系統的整體布置如圖14所示,依次為上料機構、旋轉裝置、纏繞裝置、套管機構及下料機構。成品螺桿由上料機構上料,送至包裝臺進行防腐帶纏繞,套管經過上料機構上料,被送至包裝臺上,套管機構進行套管作業,下料機構把套管螺桿推入收集槽,最終完成整套自動化流程。

圖14 風電螺桿自動套裝系統總裝

4 自動套裝控制系統設計

風電螺桿自動套裝各個動作通過各類電動、氣動、液壓元器件實現。由于螺桿、套管質量重,上料、下料和螺桿旋轉需要的力較大,所以宜采用液壓裝置實現;而纏繞、套管需要的力小,宜采用氣動裝置實現;其他運動則由電機控制。由此設計自動套裝電液氣控制系統方案,并由PLC實現對整個系統的控制。

4.1 系統氣壓回路設計

系統氣壓回路如圖15所示,空氣壓縮機產生的氣源通過分流閥分4路分別經過電磁閥輸送給卡爪氣缸、擋板氣缸、機械手氣缸和纏繞臂氣缸,控制螺桿夾緊、定位、套管、纏繞臂伸縮。

圖15 系統氣壓回路

4.2 系統液壓回路設計

系統液壓回路如圖16所示,系統配置7個液壓缸,分別是2個風電螺桿上料液壓缸、2個套管上料液壓缸、2個下料液壓缸、1個旋轉裝置液壓缸。液壓缸的動作信號通過PLC進行傳輸處理。由于所需的液壓缸動作均往返運動,故選擇雙作用單活塞桿液壓缸,并由電磁換向閥實現液壓缸的控制。為了保證液壓回路的安全性,設計過程中還需添加溢流閥、節流閥等安全器件。

圖16 系統液壓回路

4.3 系統電氣控制設計

系統電氣控制圖如圖17所示,系統配置5個電機,依次是纏繞機構絲杠驅動電機、套管機構絲杠驅動電機、支撐臂驅動電機、旋轉裝置驅動電機和伺服驅動電機。通過PLC系統輸出信號控制其正反轉狀態。

5 自動套裝系統實驗對比

與傳統人工套裝作業相比,本文設計的自動套裝系統作業具有較大優勢。經過實際套管測試,兩者技術參數對比見表1。從表1中可以看出,人工套管工人需要較大的體力勞動才能完成,一般只能單班制多人協作完成。自動套管流水線只需要一個操作檢測人員,其主要工作只是開機前的準備和過程監控、檢測成品,勞動強度大大降低,可以實現三班制加工,另外單個套管速度也比人工時快,可大大提高生產速率。套管尺寸誤差和套管密封性是衡量風電地腳螺桿防腐質量的主要指標,自動套裝下的套管尺寸誤差值和套管密封誤差個數都同步下降。

表1 人工套裝和自動套裝技術參數對比

6 結語

本文針對傳統人工風電螺桿套管勞動強度大、工作環境差、技術落后、效率低等缺點,分析風電螺桿保護套套裝加工工藝,設計了自動套裝系統的總體布置方案,完成了各部分機械結構設計(包括上料機構、旋轉裝置、纏繞裝置、套管機構及下料機構),同時設計了自動套裝電液氣控制系統。測試對比顯示,本系統能提高風電螺桿保護套套裝加工的穩定性和生產效率,減輕工人的勞動強度,提高生產安全性,減少人工數量及人工操作失誤帶來的不良品,提高風電地腳螺桿防腐質量,實現套管自動化。

本文研制的自動套裝系統具有良好的自動化高效節能性能,市場競爭性強,應用前景廣闊。國產化風電螺桿保護套自動套裝系統的成功研發為眾多非標螺桿生產廠家提供了一套高效高產的生產裝備,具有較高的社會和經濟效益。