风机叶片模具液压翻转机构的设计.pdf

2 0 1 1 年 2月 第 3 9卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUUCS F e b ．2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 4 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 2 1 风机叶片模具液压翻转机构的设计 冯消冰 ，王伟 ，任伟华 ，李俊枝 中国航天科工集团第六研究院，内蒙古呼和浩特 0 1 0 0 1 0 摘要在大型风力机复合材料叶片的生产过程中，模具起着至关重要的作用。为了满足风力机复合材料叶片生产的关 键工艺要求，采用新型的液压翻转机构作为模具核心工艺装备成为必备条件。从机械、液压、电控三个方面介绍一种全液 压翻转机构的设计过程并进行运动优化控制。实际应用结果表明，该新型液压翻转机构完全满足大型风机复合材料叶片模 具使用的所有工艺要求。 关键词 风力机 ；叶片 ；模具 ；液压翻转机构 中图分类号 T H 1 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 4 0 6 6 4 De s i g n o n Hy d r a u l i c Re v e r s a l S t r u c t ur e f o r W i nd Tur b i ne Bl a de M o u l d F EN G X i a o b i n g ，WANG We i ，RE N W e i h u a ，L I J u n z h i T h e S i x t h I n s t i t u t e o f C h i n a A e r o s p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n ，H o h h o t I n n e r M o n g o l i a 0 1 0 0 1 0 ，C hin a Ab s t r a c t I n t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s o f c o mp o s i t e ma t e r i a l s b l a d e f o r w i n d t u r b i n e ， t h e mo u | d o f b l a d e p l a y s a n i mp o r t a n t rol e ． I n o r d e r t o me e t t h e t e c h n i c a l r e q u i r me n t s o f t h e b l a d e p r o d u c t i o n，n e w h y d r a u l i c r e v e r s a l s t r u c t u r e mu s t b e u s e d a s t h e c o r e e q u i p me n t ． r h e d e s i g n p r o c e s s o f a n e w h y d r a u l i c r e v e r s a l s t r u c t u r e wa s i n t r o d u c e d f r o m t h e t h r e e a s p e c t s o f me c h a n i c a 1 ． h y d r a u l i c a n d e l e c t r i c a l c o n t r o l a n d t h e d e s i g n w a s o p t i mi z e d ．T h e p r a c t i c a l r e s u l t s h o w s t h a t t h e n e w h y d r a u l i c r e v e r s a l s t ruc t u r e me e t s t h e r e q u i r e me n t o f ma n u f a c t u r i n g c o mp o s i t e ma t e r i a l s b l a d e o f h u g e w i n d t u r b i n e ． Ke ywo r dsW i n d t u r b i n e； Bl a de； Mo u l d； Hy d r a u l i c r e v e r s a l s t ruc t ur e 风力机 叶片模 具 的开合过 程 目前主要 有 两种形 式 1 机械行车 的吊装 翻转 ； 2 全 自动液压翻 转机构 。前一种 翻转形 式存 在这样 一些 缺点 1 翻转过程是间歇运动 ，会产生模具抖动 ，影 响模具精 度和寿命 ，从 而影 响叶片 的质 量 ； 2 由于风力 机 叶片模具较长 ，M W 级风力机叶片模具的长度一般为 3 O ～ 5 0 I n ，而且 由于其 由钢结构构成 ，较大的模具质 量可达 3 0 t 左右 ，因此对操作者要求很高 ，行车容易 损坏 ； 3 安全程度 不是很高 。全 自动液压 翻转机 构弥补了以上 的缺点 ，业 已成为风力机 叶片生产厂家 的首选 翻转形式⋯。 1 液压翻转机的工作过程 液压翻转机构整个系统由机械 、液压 、电控三部 分组成 。主要工作过程是液压 系统驱 动翻转机械臂 ， 机械臂带 动叶 片的翻转模 进行 圆周旋 转 ，翻转 1 8 0 。 后 ，再垂直 向下运动 ，与 固定模 合模 。液压翻转机构 采用全液压的控制方案 。即模 具 的翻转 、速 度控制 、 同步控制 、合模全部 由液压系统完成。液压 系统的 电 气元件 、检测 元件 ，根据 控制 要求 由计 算机 统一 管 理 。液压 翻转机构的设计 翻转质量为 3 0 t 。翻转机构 要求构造简单 、使用方便 。 模具的开 、合模示意图如图 1 。 a 开 模 b 合 模 图 1 大型风机 叶片模具开 、合模 示意 图 2液压 翻转 机构模型 2 ． 1 液压翻 转机构模 型 单个翻转机构主要 由一个翻转架 、一个机座 、两 个 油缸 1 、两个 油缸 2 、一 个铰点 顶 推油 缸等 组成 。 机座与固定模刚性连接，整体与地面通过地脚螺栓固 定 ；翻转架与 翻转模刚性连接 ，整体通过连接销与固 定机座 在铰 点处 铰接 。其 中机 座铰 点 处 为 腰 圆孑 L ， 允许 翻转 架上下滑 移 。油缸 1和油 缸 2分 别 与翻转 架 和机 座 连 接 ，通 过 两 油缸 的变 幅 作 业 为 翻转 模 连 同翻转 支 架 提供 翻转动 力 。翻转 机构 示 意 图 收稿 日期 2 0 1 0～ O 1 0 7 作者 简 介冯 消 冰 1 9 8 l ～ ，男 ，硕 士 研 究 生 ，高 级 工 程 师 ，主 要 从 事 复 合 材 料 结 构 设 计 与 结 构 优 化。 电话 1 3 9 4 8 1 1 2 2 0 6 ，Em a i l y ij i u f x b 1 6 3 ． t o m。 第 4期 冯消冰 等 风机 叶片模具液压 翻转机构 的设 计 6 7 如 图 2。 翻转架 液压缸2 a 几何 模 型 b 实 体模 型 图 2 大 型风 机叶片模 具翻转机构示意 图 均 易 发 生 冲击 振 动 ， 图3 大型风机叶片模具翻 故应合理 设计 液压 翻 转重要位置示意图 转机构 ，使冲击振动降到最低 。5个重要状 态 的位 置 示意图如图 3示 。 2 ． 2油缸 运动 速度优 化 要使 翻转模 翻转平稳 ，需 要使翻转架的角速度恒 定 ，但这样对液 压系统 的控制 要求 比较高 ，因此考虑 使 油缸活塞杆 的相对移 动速度 恒定 ，但 这样 翻转架 的 角速度就不 能保持匀速 ，翻转 过程有 角加速 度 ，会 产 生一定 的冲击 。此外 ，由于翻转模 的整 体质 量较大 ， 转动惯量也相对较大 ，所 以要求 翻转速度 比较小 ，以 减小 冲击 ，使翻转平稳安全 。在翻转过 程 中，油缸 1 和 2交替成为主动缸和从动缸 。叶片合模开始时 ，油 缸 2为主动缸 ，活塞杆匀速伸 出，油缸 1 从 动 ；翻转 架旋转至相对 于机 座 9 0 。 时 ，油 缸 1切 换为 主 动缸 ， 而油缸 2 从动 。脱模 时 ，则相反 。故 翻转机 构在结构 和功能上都具有对称性 。 通过模拟合模过程 ，分析翻转架各运动参数 。假 定 以油缸 匀速伸缩进行 运动控 制 ，油 缸 1 的运 动速 度 为 6 m m ／ s ，油缸 2的运动速 度为 8 m m ／ s ，进行运 动 仿真。图4为仿真结果 ，其中最大角速度为 2 ． 7 1 。 ／ s ， 最大角加速度为 0 ． 3 7 。 ／ s 。可以看出翻转架的角速度 和角加速度在油缸变幅操作时有突变 ，必然会有一定 的冲击 ，应尽量减 小峰值 和突变量 ，需要对油缸运动 速度进行优化 。图 5为优化结果 。 蓍 ． l 0． 。 5 2 ． 0 67 一1 ． 6 67 1 ． 2 6 7 霎0 ．8 6 7 0 ． 4 6 “ ／ 露 时 间／ s a 角速 度变 化 曲线 b1 角加速 度 变化 曲线 图 4翻转架 合模 仿真结果 0 1 00 20 0 30 0 时 间， s a 角速 厦 燹化 曲线 b 角 加速 度 变化 曲线 图 5 翻转架速度优化结果 通过运动优化控制 ，有效改善 了翻转角速度和角 加速度 的峰值 以及油缸变 幅时的峰值突变量 ，可提高 翻转 的平稳性 ，减小 冲击影响 。优化前翻转作业过程 约 2 5 0 S ，优化后作业时 间约 2 9 0 S 。在作业时 间允许 的条件下 ，仍可进一步优化 。 2 ． 3油缸推力计算 在整个 机 械 、液 压 系统 中 ，油缸 推 力 的合理 选 择 ，对油缸结构设 计及系统中的相关器件选取均存在 较大的影响 。而油缸的推力计算 与油 缸的载荷 、油 缸 的支点位 置及初始状态有关 ，在载荷一定时 ，合理 地选择 油缸 的两支点位置 ，对油缸 的最大推力及油缸 的结构设计 ，具有 十分重要 的作用 一 。在此例 中，翻 转模 的载荷 为 3 0 0 k N，翻 转 模 的重 心 力 臂 为 2 7 2 8 m m，油缸 的翻转力为 9 8 5 k N。 较低 ，系 统 获 得 的 运 动 图 6 不同翻转角度值所 惯性也 可 不 计 ，则认 为 对应的油缸推力值 机构在翻转过程 为静力平衡状 态 ，油缸 的推力全部用 于克服反力矩 。通过计 算 ，计 算结果 如 图 6 。油 缸在 开始合模 时 ，所 需推力最 小 ，为 4 9 3 ． 4 1 k N；在模 具 的重心 到达 垂直 于转 轴 位置 时 ，所 需 推力 最 大 ，为 6 6 0． 4 5 k N 0 O 0 0 0 一 ． 、 最 躲样 露 z 壤 三 由 程 忽 时 度 个，过 果 同 速 一构 转 如 ，动 是 机 翻。擦 运 构 转 在 式 摩 缸 饥 翻 缸 形 的 油 转 幅 油 称 副 于 翻 变 转 对 动 由 点 翻 成 转 虑 铰 于 中 略 考 6 8 机床与液压 第 3 9卷 3液压翻转机构液压部分设计 液压 系统 由液压 泵站 、顶 升 回路 和翻转 回路组 成，其原理图如图7 ，液压泵站采用三相交流电机做 动力 ，驱动变量泵产生机构工作 的液压源 ，额定流量 为 3 0 L ／ mi n，具 有 3 MP a ／ 2 1 MP a双 压力 可控输 出。 翻转 回路 由 2套 相 同的 回路 组成 ，每 个 翻转 机架 1 套 ，每套由 2个 比例调速 阀 、2个三位 四通阀 、2个 平衡 阀、2 个两位三通阀和 2对 液压油缸组成 。在 电 控系统的控 制下 ，翻转 回路完成 翻转 机架 的 1 8 0 。 同 步翻转动作 。翻转油缸 1的行程为 8 9 0 m m，缸径 1 2 5 m m，杆径 9 0 m m，速 比 2 ；油缸 2的行程为 9 9 6 m m， 缸径 1 2 5 m m，杆径 9 O ，速 比 2 。翻转 油 缸可提 供的 最大推力约 2 4 0 k N 按实 际工作压力为 2 0 M P a 计 。 另外 ，为 了在 翻转过程 中保证 铰点处销轴不沿着腰 圆 孑 L 向下滑移 ，在销轴下 方设置 了一 个铰点顶 推油缸 。 铰点顶推油缸 的行程为 1 0 0 m m，缸径 1 0 0 m m，杆径 7 0／ l l l q ，速 比 2 ，可提供的最大推力为 1 5 7 k N 扣除 压力损失 ，按实际工作压力为 2 0 M P a 计 。 此外 ，因模具合模后还需一定的压 紧力 ，故在模 具的周边 布置 了一 圈小油 缸。为 了使各油 缸受 力均 匀 ，采用 了压力和流量双模式控制 ，即先用压力模式 此时系统压力 只有 3 M P a 使各 油缸消除连接间隙 ， 均匀地受力 ，但不会使翻转模运 动 ，然后改用 流量模 式 此时系统压力 为 2 1 M P a ，使各 油缸等速 伸缩 。 油缸的行程为 1 0 0 m m，缸径 4 0 ra m，杆径 2 5／ ／ l m，速 比2 ，可提供 的最大推力为 2 5 k N ，拉力 1 5 k N 。 图 7 翻转机构液压原理 图 4液压翻转机构电气控制部分介绍 液压翻转机构 的电气控制系统由泵站电气系统 和 翻转 同步控制系统组成 。其中泵站 电气系统 为常规系 统 ，采用 3 8 0 V交流 电做能源 ；翻转 同步控 制系统 由 安装在控制柜 内的主控制 器和安装在翻转机构上的副 控制器等组成 ，其 中副 控制器 为每个 翻转 机构 上一 套，相互之间通过 C A N总线进行电气连接。 翻转 同步控制 系统的主要功能如下 I 翻转架的同步运动 ； 2检查液压泵 油 的过热 ； 3 检查旋转臂是否运行错误的速度 ； 4 机器运转时 ，有指示 警告 危险； 5 发生故障时快速关闭整个系统 。 在大型风机叶片模具液压翻转 中，需要多个油缸 同时工作 ，要求它们 以相 同的速度或相 同的位移进行 运动，即要求实现同步运动。随着液压技术在工程技 术领域 中应用 的 日益扩大 ，负载能力 的增加 ，多缸的 同步运动就更显 突出。造成 系统 中两组油缸不 同步的 原因有很 多种 ，主要有以下几个方面 J 1 由于 流量 增 益 不 同 、起 始 工作 电流 不 同 、 第 4期 冯 消冰 等 风机叶片模具液压 翻转机构 的设计 6 9 线性 工作区有差异 ，使得在某一开度时流过 比例换 向 阀的流量不相等 ，从而导致液压缸运动 的不 同步 ； 2 油缸 承 受负 载不 同 ，翻 转模 的质 量 很难 保 证平均分 配在两组 油缸上 ，因此 两组油缸承受 的负载 大小也不 同 ，承载 大的油缸较 承载小的油缸运行慢 ； 3 油缸 的制 造精 度有 误差 ，导 致油 缸运 动 副 摩擦力 也不 同 ；另 外 ，安 装 时运 动 副 的配 合 间隙 不 同 ，使得运动副摩擦力也不相等 。摩擦 力大的油缸运 行相对慢 ； 4 液压 系统安 装 时油管 长度 和 弯头 数 目的不 同也会造成液压缸沿程阻力不相等 ；此外 ，长 时间运 行也会使得油缸的工作特性发生变化 ，这些 因素也会 导致各个分组 中的油缸行进时不 同步 。 用 P L C作为 整个 控 制 系统 的 核心 ，信 号 由 P L C 给定，电控器将其输入电压转换为比例阀的控制电流 控制阀的流量 ，从 而控制油缸的工作速度 ，通过油缸 上位移传感器测出油缸的 即时位移 ，反映 了两缸伸 出 长度的不一致，将其作为反馈输入，经放大，作为系 统负反馈 叠加至系统输入端 ，从而 即时修正位移 ，确 保 两组油缸的同步运行。 用数 字计算 机代替模 拟计 算机调节器组成计算机 控 制系统 ，不仅 可以用 软件实 现 P I D控制算法 ，而且 可 以利用计算机 的逻辑功 能使 P I D的控制更 加灵 活 。 P I D控制是将 系统误差 的 比例 P 、积 分 I 和 微 分 D通过线性组合构成控制量 ，对被 控对象进 行 控制 的。由于它具有算法简单 、鲁棒 性好 和可靠性高 等优点 ，被广泛应用于工业过程控制 。该液压翻转 系 统控制过程 只采 取 了 P I 环节 ，P环 节 的作 用是 成 比 例地反映控制信号的偏差 ，偏差一旦产生 ，控制器立 即产 生作用 ，减小偏差 。积 分环 节 I 主要 用于消除静 差 ，提高系统的无 差度。 5结论 此翻转 机构 已经 在 实际 叶片 制造 过 程 中成 功应 用 ，设计达 到了对模具 开 、合模 翻转 的要求 ，证 明此 设计是合理 、有效 和安全 的。它 的成功应用 ，对类似 设计具有较强 的指导作用 。 大 型风机 叶片模具包含多个部组件 ，涉及 了多 门 学科 ，各有 其 独特 的优 点 。追 求 降低模 具 的生产 成 本 、减轻模具 的质量 、减小模具 的施工难度 、提高模 具 的开 、合模 翻转稳定性是大型风机 叶片模具工艺研 究和技术创新 的最终 目的。 参考文献 【 1 】徐海涵， 吕云嵩， 杨谋存 ， 等． F D型平衡阀在风电叶片模 具液压翻转机构上的应用[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 9 8 555 7． 【 2 】颜海银， 乐韵斐． 风电叶片模具变幅翻转机构运动学分 析[ J ] ． 机 电一体化 ， 2 0 0 7 ， 1 3 6 4 4 4 7 ． 【 3 】黎启柏． 液压元件手册 [ M] ． 北京 冶金工业出版社， 2 00 0． 【 4 】许平勇， 卫国爱 ， 潘玉龙 ， 等． 液压翻转举升机构及油缸 支点的设计[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 5 1 1 4 5 4 7 ． 【 5 】兰伟， 曾良才 ， 朱瑾． 液压翻转机构系统改进及同步控制 [ J ] ． 液压 与气 动 ， 2 0 0 9 4 7 7 7 9 ． 上接第 6 5页 围内变化时 ，卸压时间也几乎不变 ，但 随卸压管道 内 径增加 ，压力峰值减小 ，压力 脉动减 弱 ，具体 如图 8 所示 。 图 7 不 同管道长度下 管道压力响应 ∞ 茎 R 图 8 不同管道 内径下 管道压力响应 4结论 作者 在建立 大型快锻 液压机 卸压 回路数 学模 型 、 仿 真模 型基础上 ，对卸压 回路动 态特 性进行 了研 究 ， 并 得出如 下结论 1 有效 体积 弹性 模量 增 加 、工 作缸 卸压 压 力 降低会使卸压时间明显缩短，并能够降低卸压管道内 压 力峰值 ； 2 卸压 管道长 度增 加 能够 降低管 道 内压力 峰 值 ，但会使压力脉动增强 ，频率 降低 ； 3 卸压 管道 内径增 加会 在一 定程 度上 降低 管 道 内压力峰值 ，减弱压力脉动 。 总之 ，必须通过合 理 匹配卸压 回路各 元件 参数 ， 使压力峰值 、压力脉动控制在合理范 围内，才能够满 足大型快锻液压机卸压要求 。 参 考文 献 【 1 】刘少辉， 林少芬， 陈清林， 等． 液压系统压力波动与冲击 的动态仿真试验 研究 [ J ] ． 机 床 与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 l 9 51 98 ． 【 2 】魏树国， 赵升吨， 张立军， 等． 直驱泵控式液压机液压系 统的动态特性仿 真及优化 [ J ] ． 西安交通大学学报， 2 0 0 9， 4 3 7 7 98 2 ． 【 3 】李 南 ， 高永梅 ， 吴小伟 ， 等． 液压 机卸压 冲击 的研 究 [ J ] ． 新 技术新工艺 ， 2 0 0 9 4 1 51 6 ． 【 4 】陈柏金， 黄树槐 ， 魏运华， 等． 锻造液压机高压卸载系统 改进研 究[ J ] ． 液 压与气动 ， 2 0 0 8 1 5 7 5 9 ． 【 5 】何世友， 马骁 ， 钟蜀津． 液压机卸压 回路的研究[ J ] ． 天 津理工学院学报 ， 2 0 0 0 ， 1 6 1 9 49 6 ． 2鲫 如 0 0 0 0 0 0 0 0 0 日 窆 、 R