復合材料風電葉片是風力發(fā)電機組中能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件，其設(shè)計制造的好壞直接關(guān)系到風力發(fā)電機的效率和使用壽命，影響著整個系統(tǒng)的性能。葉片成型質(zhì)量的好壞又取決于模具質(zhì)量的好壞，高精度的模具設(shè)計與制造技術(shù)是葉片氣動外形的重要保證，對產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、最終質(zhì)量和性能起著決定性作用。

　　隨著風電機組不斷朝大型化方向發(fā)展，風電葉 片的尺寸逐漸增大， 成型時對模具強度和剛度的要求也越高， 相應的，模具的重量和成本將大幅提高。為了減輕模具重量，降低模具成本，大型復合材料葉片的模具也逐漸由早期的金屬模具向著復合材料模 具轉(zhuǎn)變。復合材料模具基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與E玻璃纖維、S玻璃纖維等增強材料以及鋼結(jié)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、加熱系統(tǒng)等重要部分組成。復合材料模具的使用意味著復合材料葉片可以做得更大、更長；同時，由于模具和葉片采用了相同的材料，熱膨脹系數(shù)基本一致，使得制造出的復合材料葉片的精確度和尺寸穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬模具制造的葉片產(chǎn)品。目前真空導入成型工藝已成為復合材料風電葉片制造的主流工藝，相應的葉片模具應具備以下基本要求  ：

（1）表面光滑、平整、密實：為保證葉片產(chǎn)品表面優(yōu)良，模具表面應無裂紋、針孔，表面光澤度應達到90以上，表面粗糙度＜10pLm；

（2）氣密性好：因為采用真空導入成型工藝制造葉片，對模具的氣密性要求就比較高，通常情況下要求15min內(nèi)真空降小于10mbar；

（3）尺寸精度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好：模具尺寸應實現(xiàn)長度方向平均每米偏差小于0.5mm；

（4）溫度場均勻，加熱可靠，溫度場應能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測，保證每平米表面溫差小于0.5℃；

（5）合模定位、鎖緊方便，翻轉(zhuǎn)精度高；

（6）表面硬度高、使用壽命長：模具表面巴氏硬度應達到40以上，以減小脫模時對模具造成的損傷，使其壽命大于400支葉片；

（7）運行安全、運輸便利。

　　為了順利制造模具，必須先進行陽模的設(shè)計制 造。對于小型葉片， 往往可以采用石膏、水泥、石蠟作為基材來制作整個葉片的模型， 這樣制作出來的葉片陽模往往尺寸精度較低，表面粗糙，容易產(chǎn)生氣孔、 裂紋等缺陷，平整度較差，適合那些精度要求較低、表面質(zhì)量要求不高的模具制作 。對于大型葉片， 要將葉片整體制作成陽模難度比較大，故常將陽模分成上、 下兩個半模來制作，如圖1所示。陽模主要由三部分組成：

（1）陽模平臺：用于承載整個陽模重量，一般采用支撐鋼結(jié)構(gòu)做成；

（2）肋板：用于支撐陽模表面，肋板的形狀與半個葉片截面形狀相符合；

（3）陽模表面：用以翻制陰模模具殼板。

　　目前陽模的制作加工主要有以下兩種技術(shù)路線。一種是鋼構(gòu)代木型，其肋板由按一定間距規(guī)律排列的鋼板構(gòu)成，在鋼板上將一系列鋼管按事先設(shè) 定的順序焊接成與葉片截面相符的形狀，然后再涂上代木。所謂代木其實是一種可加工的雙組分糊狀樹脂，通過兩根管子導出，在前段混合均勻后涂覆于陽模表面， 固化后機械加工性能好，有時甚至不用打磨就很光滑。國外包括在國內(nèi)生產(chǎn)的專業(yè)做葉片模具的紅楓公司多數(shù)都是采用這種方式來制作加工葉片陽模。為了節(jié)省成本，也可用苯乙烯泡沫代替鋼板，再在表面涂上糊狀代木，完成這步后，再把固化后的模型在五軸聯(lián)動的CNC加工機器上按事先輸入的數(shù)據(jù)進行銑削即可得到與葉片外形一致的陽模 表面。另外一種是木質(zhì)結(jié)構(gòu)型， 其肋板由按一定間距規(guī)律排列的木質(zhì)截面板構(gòu)成，表面由按正交方式 鋪放的三合板蒙制而成。

　　鋼構(gòu)代木陽模的優(yōu)點是模具型面質(zhì)量高，缺點 是加工周期長、 價格高；木質(zhì)陽模的優(yōu)點是加工周期短、成本低，缺點是模具型面質(zhì)量較差。下面以木質(zhì) 陽模為例，講述陽模的制造工藝技術(shù)，圖2為木質(zhì)陽模制作工藝流程。

　　制作高精度的模型首先必須搭建高精度的基準平臺， 搭建葉片陽?；鶞势脚_的關(guān)鍵在于其整體平面度、水平度和穩(wěn)定性。一般采用大型槽鋼做橫撐梁， 沿長度方向按一定間距排列，其槽鋼與地用地腳螺栓連接，先用激光掃平儀進行粗調(diào)節(jié)，基本固定后再用水平儀調(diào)節(jié)高度，在基本滿足要求時在橫梁上順著長度方向固定鋼軌。在基本結(jié)構(gòu)搭建完成后，用葉尖、葉根、葉中三臺水平儀進行再校正，對每次調(diào)節(jié)的活動點進行跟蹤，如此反復調(diào)整，使平臺滿足使用要求。

　　陽模平臺搭建完畢之后，采用截面板的方式控 制葉片外形并將其固定于鋼軌平臺之上。圖3為截面板外形設(shè)計圖。首先將葉片三維圖轉(zhuǎn)化成CAD圖，并根據(jù)設(shè)計要求對截面板做出凹槽位置。

　　此外，在截面板上還要進行連接孔的設(shè)計，用于截面板之間的連接，如圖4所示。截面板設(shè)計完成后， 利用CNC雕刻機編制程序加工截面板。截面板在平臺上采用激光定位，先在鋼軌兩端固定發(fā)射裝置和接收裝置，在葉根、葉中和葉尖處各立一塊截面板，使得激光發(fā)射裝置發(fā)射的激光穿過這三塊板正好打在接收裝置上的中心處，安裝過程中保證葉片中基準截面板上激光的大小位置不變。

 

　　圖5所示為截面板L的木條拼接。圖6所示為三合板蒙皮制作。如圖5和圖6所示，截面板定位安裝完成后，在其預留的凹槽里采用木條填充拼接，木條填充完畢后再在上面蒙制三合板，然后進行密封層制作，最后對表面進行后處理即可完成陽模制作。

　　木質(zhì)陽模雖然有成本低、加工周期短等優(yōu)點，但 用這種方法制作陽模必須注意以下問題：

（1）整體收縮變形

因木質(zhì)陽模的截面板是由密度板加工而成，對環(huán)境濕度比較敏感，使用過程中模型整體收縮變形嚴重。解決方式通常有兩種：其一是對截面板四周加工處刷封孔劑以減少截面板的吸濕變形。其二是采取加固的方式，比如在截面板處立支撐，減少截面板收縮變形；

（2）葉根需加固

木質(zhì)陽模制作過程中， 葉根基圓是整套陽模因受力最易變形的地方，可以在葉根基圓處安裝鋼板作為葉根擋板，在保證其垂直度的前提下進行焊接加固， 將第一塊CNC雕刻截面板與鋼板采用螺栓連接，以防止陽模葉根的變形；

（3）型面不平順

木質(zhì)陽模的表面修型主要采用手工刮膩子與檢驗樣板校核相結(jié)合的方式， 用CNC數(shù)控雕刻機制造標準的帶激光定位眼的檢驗樣板，通常間距1m一個，檢測時保持樣板的垂直與水平并且使激光能夠穿透所有的檢驗樣板，將樣板處的木質(zhì)陽模型面修復完畢后，再將各樣板之間的型面平滑過渡。由于完全靠手工制作，所以型面會存在波浪線問題，這個可以通過調(diào)整修型工序和提高員工的操作水平來解決。

　　復合材料葉片模具主要由玻璃鋼殼體、支撐鋼 架、加熱系統(tǒng)以及液壓翻轉(zhuǎn)與鎖緊裝置等組成。

　　模具殼體結(jié)構(gòu)層又分為內(nèi)結(jié)構(gòu)層、外結(jié)構(gòu)層以及加固層。控制模具的各向同性是實現(xiàn)尺寸精確度及穩(wěn)定性、傳熱均勻性的重要手段。一般采用0/45/90/——45四軸玻璃纖維織物對模具復合材料結(jié)構(gòu)層進行各向同性設(shè)計，保證模具復合材料層結(jié)構(gòu)和傳熱上的均勻性，避免和消除一部分施工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力。此外，通過借助CAE技術(shù)對模具的受力進行分析研究，根據(jù)分析結(jié)果在模具被覆層一些重要部位進行加固，夾芯加筋結(jié)構(gòu)的使用可增強模具復合材料層的剛性，對穩(wěn)定模具尺寸有重要作用。

　　鋼架結(jié)構(gòu)用來支撐上、下半個模具，首先必須滿足強度和剛度要求。在模具起吊、翻轉(zhuǎn)時，模具鋼結(jié)構(gòu)必須能夠承受大約20t的重力而本身無塑性變形，其中包括半個葉片（3t）與上模自重（17t）。在玻璃鋼模具制造過程中，其剛度和重量是兩個相互矛盾而又十分重要的因素。以目前市場主流產(chǎn)品40.25m葉片模具為例，一套模具重18t，其中鋼架占整個模具重量的33%，對鋼架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計可以在保證其強度、剛度的同時減輕重量，從而減輕整個模具的重量，對降低成本、運輸起到很大作用。如圖7所示CAE分析計算圖， 通常先借助CAE技術(shù)對模具結(jié)構(gòu)單元進行受力分析，設(shè)計模具鋼架結(jié)構(gòu)單元，根據(jù)實際翻轉(zhuǎn)的高度設(shè)計鋼架的整體高度，鋼架的左右腿根據(jù)葉片翻邊的外形高度而定，保持上表面水平，然后進行模具鋼架整體三維建圖。圖8所示為模具鋼架示意圖。

　　模具對鋼架的第二點要求是其外形與模具的玻 璃鋼殼體要隨形， 保持模具復合材料層與鋼架連接的協(xié)同變形。目前40m以上長度的葉片基本都使 用環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂在固化過程中需要加熱，同時葉片在合模過程中粘接膠也需要加熱固化，這就 使模具的復合材料層和鋼架處于不同溫度中，因此解決復合材料和鋼材熱脹冷縮時的矛盾變得非常重 要。目前有兩種方式。圖9（a）為第一種方式，即在鋼架與復合材料層之間采用分段連接。預先在模具 復合材料層上每隔一定距離糊制預埋件， 預埋件與鋼架之間采用連接套筒固定，使模具復合材料面層 與金屬鋼架自由均勻伸長，減少了熱應力的產(chǎn)生。圖9（b）為第二種方式，即在鋼架與復合材料層之間采用整體連接。此種方式在模具前后緣部分固定兩根通長的鋼管，鋼架每隔一定距離與鋼管采用滑動裝置連接，該連接可以在軸線方向、軸線垂直方向和上下方向進行調(diào)節(jié)， 在保證正常生產(chǎn)產(chǎn)品的同時減少了模具的應力集中， 增加了模具的使用壽命。

　　模具溫度場的均勻性、可靠性以及加熱效率等 在葉片生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，最普遍的做法 是在模具結(jié)構(gòu)層中分區(qū)預埋加熱系統(tǒng)， 通過溫度控制系統(tǒng)、導熱層等措施實現(xiàn)精確控溫，保證模具溫度 場的均勻性。進行加熱系統(tǒng)設(shè)計之前首先應根據(jù)模具加熱區(qū)域的面積進行局部加熱試驗， 確保加熱能達到工藝設(shè)計要求。加熱系統(tǒng)設(shè)計應考慮模具大小和加熱功率，單個回路加熱區(qū)域的大小，管路的排布 密度和導熱方式等因素。

　　目前風電葉片模具最有效且最流行的加熱方式如圖10所示，為水加熱和電加熱。圖10（a）為水加熱示意圖， 水循環(huán)加熱方式是利用銅管作為加熱管路布滿模具產(chǎn)品區(qū)以及分模面上形成模具加熱的框架，并在銅管之間填充傳熱介質(zhì)來實現(xiàn)模具加熱后 的熱傳遞，外接大功率的水加熱器，直接把熱水注入 到模具的銅管中， 并實現(xiàn)熱水循環(huán)。圖10（b）為電加熱示意圖。電加熱易于監(jiān)控、 操作方便、加熱效率高且能大大減輕模具的重量，但是易于發(fā)生故障，使用壽命也不及水加熱方式的長。

 

　　大型風電葉片模具的翻轉(zhuǎn)定位是比較困難的， 模具的開模與合模需要將上模進行180°翻轉(zhuǎn)，這一過程可以通過機械行車提吊與液壓翻轉(zhuǎn)兩種方式來實現(xiàn)。前者是將前后兩臺行車通過吊鉤連接在模具的上模結(jié)構(gòu)上，利用行車的動力，驅(qū)動上模繞著輔助翻轉(zhuǎn)鉸鏈的中心翻轉(zhuǎn)。由于機械行車的特性，翻轉(zhuǎn)運動不連續(xù)， 尤其當上模重心越過回轉(zhuǎn)中心線時，會發(fā)生“突變”現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的振動和沖擊，易出現(xiàn)重大安全事故，同時對行車損傷特別大，縮短了行車的使用壽命。這種方式要求行車操作人員的實際操作經(jīng)驗特別豐富，同時要求行車的承載力和安全系 數(shù)特別大 。在行車提吊方式基礎(chǔ)上，中材葉片項 目組設(shè)計了一種適合大型模具開閉模系統(tǒng)的門軸，通過液壓伸縮吊鉤的使用實現(xiàn)了同步翻轉(zhuǎn)，在兩個吊桿右端分別安裝一個位移液壓缸，在接近發(fā)生 “突變”之前行車停止動作，位移液壓缸起作用，產(chǎn)生小位移的推力，使重心平穩(wěn)地越過回轉(zhuǎn)中心，保證了模具在翻轉(zhuǎn)時的平穩(wěn)性。同時項目組還設(shè)計了多步定位的合模方法，即首先采用液壓平衡半球定位系統(tǒng)，使模具在進入定位階段已基本實現(xiàn)粗定位，然后用一種活動的定位銷進行精確定位，“丁”字螺栓和液壓鎖模系統(tǒng)的組合實現(xiàn)了快速鎖模。

　　液壓翻轉(zhuǎn)是目前國外比較流行的翻轉(zhuǎn)方法。全自動液壓翻轉(zhuǎn)設(shè)備由翻轉(zhuǎn)架、液壓系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)3部分組成，不僅可以實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)過程的自動化，提高翻轉(zhuǎn)效率，使翻轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)，而且還能更好地保證模具精度和壽命， 提高葉片生產(chǎn)的質(zhì)量，其液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理如圖11所示。

 

　　液壓裝置分為兩個部分：液壓頂升裝置與液壓 閉模鎖緊裝置，安裝在下模鋼結(jié)構(gòu)上。液壓頂升裝置通過在下模具的兩側(cè)均布頂升油缸來實現(xiàn)支撐和頂升上模；液壓閉模鎖緊裝置通過兩側(cè)適當間隔布置的張緊油缸來實現(xiàn)另一要求，即合模后液壓缸張 緊上、下模具。圖12為液壓翻轉(zhuǎn)示意圖。

復合材料模具制造工藝流程如圖13所示。

（1）高氣密性模具制造技術(shù)

　　模具的氣密性是葉片成型過程中最為關(guān)鍵的技術(shù)，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，一旦出現(xiàn)問題可能會導致產(chǎn)品報廢。模具的氣密性要靠表面層來保證。模具表面層分為膠衣和方格布層，膠衣又分為面層膠衣和過渡層膠衣。面層膠衣有很強的抗劃傷、傳熱和耐熱性能，過渡層膠衣用來提高面層膠衣和玻璃鋼的粘接性能。膠衣涂覆完畢后間隔1h左右即可糊制方格布層，然后貼上脫模布固化后即可進行下一步的內(nèi)結(jié)構(gòu)層工序。整個工序中應注意膠衣的脫泡。由于膠衣較稠，只能采用手工打膠鉆進行混合，在混合的過程中不可避免地會混入空氣，若不進行脫泡處理，涂覆膠衣層的時候?qū)芽諝饣烊肫渲幸灾伦龀龅哪＞弑砻鏁嗅樋?，將嚴重影響表面質(zhì)量；

（2）ＲIM工藝模具制造技術(shù)

　　模具制造采用真空導入工藝，在對模具的結(jié)構(gòu)、 受力和功能充分考慮的基礎(chǔ)上，需要對導流管路、連續(xù)氈和泡沫芯材、注膠口、溢膠口等真空導入技術(shù)的關(guān)鍵點進行科學合理的設(shè)置，并利用PAM等軟件進行優(yōu)化設(shè)計，對實施過程進行仿真模擬，極大地降低大型模具制備過程用ＲIM工藝成型時缺陷產(chǎn)生的可能性。

（1）膠衣分層 膠衣分層主要是表面層與內(nèi)結(jié)構(gòu)層的分層，可能的原因是在進行內(nèi)結(jié)構(gòu)層鋪層的時候沒有將表面 層的界面處理好，一般要求表面粗糙，無粉塵顆粒。其次的原因是，模具的整體固化度不夠，樹脂體系還沒有反應完全；

（2）模具基圓收縮變形 目前大型模具制造一般采用環(huán)氧樹脂作為基體材料，固化時存在一定的收縮，在模具后固化前，必須用鋼板將模具基圓進行加固，否則基圓失效將會 影響葉片基圓的圓度，情況嚴重時將影響葉片圓螺母及法蘭的安裝；

（3）銅管凍裂 在北方及零度以下的地區(qū)， 當模具不經(jīng)常使用時，必須將模具里的水用空氣壓縮泵完全吹出后方 可進行室外放置及轉(zhuǎn)運，否則銅管里的水易結(jié)冰，冰的密度比水小，銅管體積不變，在嚴重時撐爆銅管，造成極大的維修難度。

　　大力開發(fā)風電能源對于緩解我國將來的能源危機具有戰(zhàn)略意義。國家對可再生清潔能源的支持，加快了風力發(fā)電的發(fā)展速度，也為我國的大型復合材料葉片開發(fā)提供了一個不可多得的發(fā)展機遇。葉片質(zhì)量的好壞絕大部分取決于模具質(zhì)量的優(yōu)劣，目前我國大型、 復雜、高精度的復合材料模具設(shè)計、制造和加工技術(shù)還很缺乏，核心技術(shù)還不具備，模具設(shè)計、校核及工藝技術(shù)人員的經(jīng)驗尚不足。葉片行業(yè) 的可持續(xù)發(fā)展，急需形成自主高質(zhì)量的模具設(shè)計制造技術(shù)。

來源：玻璃鋼/復合材料