葉片UT檢測用掃查架的開發(fā)及應(yīng)用

趙康南 趙明崗 孔志國 付文豪 孫立恒

（中材科技（邯鄲）風(fēng)電葉片有限公司，河北 邯鄲 056000）

風(fēng)電行業(yè)不斷朝著“低風(fēng)速、大容量”的目標(biāo)經(jīng)歷了10年的快速發(fā)展，風(fēng)電葉片在長度方面不斷更新，5年內(nèi)葉片平均長度由50m快速發(fā)展到百米級，作為風(fēng)電葉片力學(xué)結(jié)構(gòu)的主要承載部件，主梁、腹板的粘接尤為重要。

目前，行業(yè)內(nèi)葉片UT檢測多采用掃查架，人工分段檢測主梁和腹板的粘接情況，以保證葉片主梁、腹板的結(jié)構(gòu)和工藝性能[1]。該檢測設(shè)備主要包括2個(gè)結(jié)構(gòu)，即貼合在葉片外側(cè)的檢測探頭和中控處理設(shè)備。在檢測掃描作業(yè)過程中，需要配備2個(gè)檢測探頭的固定操作人員[2]。整個(gè)作業(yè)過程由1人負(fù)責(zé)操控電腦，1人在葉片外側(cè)刷涂檢測液，2人手抬檢測探頭貼合在葉片外側(cè)，共4人操作，造成了極大的人員浪費(fèi)。同時(shí)針對小腹板位置的檢測作業(yè)，還需要配第5名操作人員協(xié)助2名手抬檢測探頭的人員完成登高作業(yè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

因此本文探究了掃查架檢測優(yōu)化技術(shù)，通過對檢測探頭進(jìn)行5個(gè)自由度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)檢測探頭全方位移動，取消手抬設(shè)備、協(xié)助登高的無效操作，優(yōu)化操作員工。

1 技術(shù)路線

1.1 自由度研究

為使掃查架滿足所有葉片的作業(yè)，需要保證該檢測探頭能夠?qū)崿F(xiàn)5個(gè)自由度的調(diào)整（包括3個(gè)平動自由度和2個(gè)轉(zhuǎn)動自由度）[3-4]，如圖1所示，即葉片軸向的前/后移動x、葉片弦向的左/右移動y、葉片高度的上/下移動z、葉片軸向的轉(zhuǎn)動α和葉片弦向的轉(zhuǎn)動β。

圖1 自由度示意圖

1.2 檢測方式

對掃查架檢測優(yōu)化技術(shù)的檢測方式進(jìn)行模塊劃分，主要分為平移方式研究、升降方式研究以及檢測探頭固定方式研究。

在實(shí)際檢測過程中，優(yōu)化后的掃查架可實(shí)現(xiàn)2人操作，作業(yè)流程如下。1）人工推動掃查架，將其移動到主梁（或副梁）的正前方。2）調(diào)整檢測探頭的軸向角度，保證檢測探頭2組吸盤的連接線與主梁（或副梁）軸向拼接縫平行。3）調(diào)整檢測探頭的弦向角度，使檢測探頭的吸盤完全平行與主梁（或副梁）。4）開啟真空泵閥門，將檢測探頭固定通過真空負(fù)壓吸附在葉片表面。5）開始檢測。該段主梁（或副梁）檢測完成后，重新回到步驟1，開始下一段檢測。改善前和改善后的檢測掃描示意圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 改善前檢測掃描示意圖

圖3 改善后檢測掃描示意圖

1.3 平移模塊

平移模塊決定了檢測設(shè)備的移動效率，其影響因素較多，包括地面硬度、地面平整度等。采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B焊接制作輔助工具。Q235B不經(jīng)過熱處理，焊接性能、塑性和韌性均較好，并有一定的強(qiáng)度，能夠滿足檢測設(shè)備的承載需求[5]。為平移模塊配備4個(gè)萬向輪（帶剎車），實(shí)現(xiàn)檢測設(shè)備整體在水平方向上的軸向移動（x向）和弦向移動（y向）。在距離地面900mm高的位置焊接把手。把手采用DN20無縫鋼管，在便于員工操作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的轉(zhuǎn)移。針對平移方式的研究，還需同時(shí)考慮伸縮性和旋轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)檢測探頭的90°旋轉(zhuǎn)功能、底盤伸縮功能，保證在任意寬度空間內(nèi)均能完成葉片檢測[6]。

1.4 升降模塊

升降方式?jīng)Q定了檢測設(shè)備在主梁、副梁間的調(diào)整效率，是保證檢測探頭能夠適用于葉片主梁和副梁各種高度的物質(zhì)基礎(chǔ)。經(jīng)調(diào)研，升降空間控制在1.5m～4.5m，可以滿足在產(chǎn)葉片的檢測要求[7]。

升降方式需要保證員工操作的便捷性、升降效率的高效性。升降方式整體包括液壓升降和動滑輪，使用流程如下。1）通過踩踏電動液壓升降踏板，促使液壓缸活塞上升或下降，帶動動滑輪組上升或下降，從而實(shí)現(xiàn)檢測探頭上升或下降。2）在液壓升降外側(cè)設(shè)計(jì)一組動滑輪，將固定支撐架作為動滑輪的支點(diǎn)，活塞缸末端作為動滑輪的動力施加點(diǎn)，檢測探頭的接口作為動滑輪的阻力施加點(diǎn)。通過活塞缸升降帶動動滑輪升降，使檢測探頭的升降實(shí)現(xiàn)翻倍，提高檢測探頭的升降效率。升降示意圖如圖4所示。

圖4 升降示意圖

1.5 探頭固定架檢測

葉片在立放姿態(tài)下做檢測，由于各葉片翼型和存放支架高度存在差異，因此主梁位置存在不同的軸向傾角α。由于葉片主梁和副梁在各截面的弧度不同，因此主梁或副梁位置存在不同的弦向傾角β。

檢測探頭固定過程中，需要實(shí)現(xiàn)檢測探頭的2個(gè)自由度，包括軸向轉(zhuǎn)動α和弦向轉(zhuǎn)動β[8]。通過調(diào)整2個(gè)自由度，使檢測探頭適用于葉片立放姿態(tài)下的主梁、副梁檢測。

1.5.1 軸向轉(zhuǎn)動α

軸向轉(zhuǎn)動應(yīng)用于單根主梁（或副梁）在葉片軸向產(chǎn)生的高、低落差，軸向轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)一側(cè)通過銷軸與支架主體連接，另一側(cè)通過“T”形絲杠升降實(shí)現(xiàn)整體轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動角度可適用于各型號的葉片。軸向轉(zhuǎn)動示意圖如圖5所示。

圖5 軸向轉(zhuǎn)動示意圖

1.5.2 弦向轉(zhuǎn)動β

弦向轉(zhuǎn)動應(yīng)用于單根主梁（或副梁）在葉片弦向產(chǎn)生的前、后差或主梁檢測切換副梁檢測產(chǎn)生的弦向前、后差[9]。弦向轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)通過“T”形絲杠的升降運(yùn)動帶動2個(gè)萬向聯(lián)軸器及其配套中間軸整體轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)定位的前、后移動，最終實(shí)現(xiàn)支架整體的弦向轉(zhuǎn)動。弦向轉(zhuǎn)動示意圖如圖6所示。

1.5.3 結(jié)構(gòu)分析

由于檢測探頭固定支架的配件較多，支架整體對連接位置產(chǎn)生的力矩較大，檢測探頭的轉(zhuǎn)動又較頻繁且屬于精密檢測儀器，成本較高，因此對檢測探頭固定支架的穩(wěn)定性要求較高。為避免支架因承載重物頻繁動作，造成塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致無法正常作業(yè)或檢測探頭損壞，進(jìn)行固定支架設(shè)計(jì)時(shí)，本文利用三維軟件solidworks中的simulation模塊對其進(jìn)行有限元分析（以連接位置作為固定夾具，在檢測探頭安裝位置施加100kg載荷），最大應(yīng)力為133.8MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度235MPa，安全系數(shù)為1.7。滿足日常檢測要求。固定支架有限元分析如圖7所示。

圖7 固定支架有限元分析

2 現(xiàn)場驗(yàn)證

將UT檢測設(shè)備安裝到設(shè)計(jì)好的掃查架上，連續(xù)檢測20支葉片，每個(gè)型號的在產(chǎn)葉片都應(yīng)在檢測葉片中。依次統(tǒng)計(jì)UT掃描設(shè)備的實(shí)際操作人數(shù)、檢測效率以及檢測結(jié)果的有效性，以驗(yàn)證掃查架的有效性和實(shí)用性。

2.1 實(shí)際操作人數(shù)統(tǒng)計(jì)

使用組裝好的掃查架對各型號葉片的主梁腹板區(qū)域進(jìn)行UT檢測，在不借助其他資源的前提下實(shí)現(xiàn)了2人操作，員工A負(fù)責(zé)設(shè)備操作+設(shè)備轉(zhuǎn)移，員工B負(fù)責(zé)刷涂檢測液+設(shè)備轉(zhuǎn)移。各型號改善前、后的檢測人員統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 掃查架使用前、后人員統(tǒng)計(jì)（使用后可減少2名操作人員）

2.2 檢測效率統(tǒng)計(jì)

由2人操作，在各型號葉片上進(jìn)行了為期2個(gè)月的試驗(yàn)，試驗(yàn)期間完全無其他人員協(xié)助，檢測葉片為日常產(chǎn)出葉片，檢測環(huán)境無任何優(yōu)勢條件。檢測時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2和圖8所示。

表2 檢測時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果（比較使用前、后的平均檢測時(shí)間，無明顯差異）

圖8 檢測時(shí)間統(tǒng)計(jì)示意圖

2.3 UT檢測結(jié)果

由3名專業(yè)認(rèn)證的檢測人員分別對檢測掃描結(jié)果進(jìn)行分析，并對3個(gè)分析結(jié)果進(jìn)行綜合驗(yàn)證，最終確認(rèn)檢測結(jié)果滿足葉片行業(yè)的使用要求。檢測結(jié)果如圖9所示。

圖9 檢測結(jié)果

3 結(jié)論

本文對新型“掃查架”的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了有效論證，通過5個(gè)自由度的調(diào)整實(shí)現(xiàn)掃描探頭與葉片的無縫貼合。通過平移模塊、升降模塊以及檢測探頭固定架模塊的功能、原理介紹，論證了新型“掃查架”實(shí)施的可行性。應(yīng)用新型“掃查架”后，對使用前/后的人員消耗、效率統(tǒng)計(jì)和效果進(jìn)行了比較和分析，結(jié)果為檢測過程可以優(yōu)化2名操作人員，大大降低人工成本；應(yīng)用新型“掃查架”可實(shí)現(xiàn)2人操作，檢測效率和檢測結(jié)果無任何影響。最終驗(yàn)證了將新型“掃查架”應(yīng)用到生產(chǎn)過程中，不僅可以減少操作員工，還可以降低風(fēng)電葉片UT檢測的成本。

在平價(jià)上網(wǎng)的時(shí)代，降本增效是葉片企業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。本項(xiàng)目的技術(shù)研究，建立了一套完善的掃查架檢測方案，為后續(xù)掃查架檢測優(yōu)化為1名操作員工提供理論支持和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)檢測效率的提升還可滿足客戶檢測需求，極大地提高客戶滿意度。