乐韵斐，宋来根

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

风电叶片表面打磨机结构设计与轻量化研究

乐韵斐，宋来根

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

为了对叶片表面打磨以进行后期处理，根据某一型号叶片设计了风电叶片表面打磨机。基于打磨机自身重力和打磨过程中的工作负载情况，利用SolidWorks和ANSYS对打磨机进行强度分析、刚度分析和优化设计。通过灵敏度分析法和响应曲面分析法，在保证打磨机刚度的情况下，其质量可降低510 kg.结果表明：灵敏度分析法和响应曲面法是研究轻量化的有效途径。

打磨机；强度分析；刚度分析；灵敏度分析；响应曲面分析；轻量化

随着环境污染和能源短缺等现象对社会可持续发展威胁的日益严重，风能作为一种可再生的绿色能源，它的应用和发展越来越表现出重要的意义[1-2]。

叶片是风电发电设备最关键的部件[3]，随着风力发电机组容量的增加，叶片长度也在不断增大，丹麦工厂生产的最长风电叶片长度已经超过80 m[4]，我国艾朗生产的风电叶片长度已达到75 m.

对风电叶片表面进行打磨是叶片生产过程中极为重要的一个环节，提高风电叶片表面打磨速度和质量，有助于提高风电叶片整个加工工序的效率。

1 风电叶片表面打磨机方案比较

本文以68.8 m长的风电叶片为研究对象，其外形是大型自由曲面，叶根端面为圆形，叶腹截面及叶尖截面为不规则形状。叶片在40 m处有明显的预弯，如图1所示。

图1 风电叶片（68.8 m）三维模型

当前国内大多数叶片生产厂家通过人工方法对叶片表面进行打磨，该方法打磨完成一个叶片需要8人同时工作8 h，效率极为低下且打磨粉尘对人体伤害极大。国内少数叶片生产厂家及部分国外厂家使用智能机器人对叶片进行打磨[5]，该方法有效地避免了粉尘对人体的伤害，但是打磨时间长，价格昂贵且维修不方便。

本文以自行设计的风电叶片表面打磨机对大型风电叶片表面进行打磨。它具有两个定梁龙门，其中一个配置六个打磨伸缩臂结构，另一个配置四个打磨伸缩臂结构加一对铣削伸缩臂结构，有效地提高了打磨效率，图2为打磨机总装方案示意图。

图2 打磨机总装方案

2 打磨机结构特点和载荷分析

2.1 打磨机结构特点

以风电叶片表面打磨机的打磨机1号为研究对象，其主体结构分为两个立柱，立柱内焊接有加强肋板提高立柱刚度，每个立柱的前后两侧分别配有一个沿X方向运动的打磨伸缩臂，由沿Y方向运动的滑枕带动。一根固定在两侧立柱上的横梁，横梁内焊接米字肋板，横梁上配有两个沿Y向运动的打磨伸缩臂，由沿X方向运动的滑枕带动。

2.2 打磨机载荷分析

该打磨机立柱的受力为立柱上Y向运动的滑枕和X向打磨伸缩臂的重力和打磨时的磨削力。此外，滑枕带动打磨伸缩臂沿立柱上下运动时，立柱将产生不稳定变形；横梁的受力形式为两点简支梁支承式，造成横梁变形的主要原因是横梁、横梁上构件的重力和打磨时的磨削力。除了横梁本身重量造成稳定变形以外，考虑横梁上的滑枕和打磨伸缩臂等移动部件从一端移动到中部时，也会引起横梁不稳定的弯曲变形。打磨伸缩臂呈悬臂结构，其重力会引起横梁产生扭转变形。根据机床打磨机的受力结构和工作要求，分析得出极限工作载荷。现将打磨机上的滑枕、打磨伸缩臂、磨头组件和工作时的磨削力简化并等效到立柱和横梁上，如图3所示，其中F1y、F2y、F3y、F4y分别为立柱上四个滑枕及其上打磨伸缩臂、磨头组件的重力；F5y、F6y分别为横梁上两个滑枕及其上打磨伸缩臂、磨头组件的重力和工作时磨削力的合力；F1y、F2y、F3y、F4y分别为立柱上四个打磨伸缩臂工作时磨削力的大小；M1z、M2z、M3z、M4z分别是立柱上四个滑枕、打磨伸缩臂和磨头组件的重力对z轴的力矩；M1z、M2z、M3z、M4z、M5z、M6z分别是六个滑枕、打磨伸缩臂和磨头组件的重力对x轴的力矩。其数值如表1和表2所示[6]。

图3 打磨机受力分析简化模型

表1 打磨机承受的等效集中力（N）

表2 打磨机承受的等效集中力矩（Nm）

3 打磨机有限元模型与强度刚度分析

为了减少网格数量，缩短所需计算时间，对打磨机三维模型进行几何清理，去除几何中小孔、倒角和沟槽等对结构影响很小的特征，得到简化的打磨机几何模型如图4所示。

图4 简化几何模型

考虑到打磨机整体尺寸，选取单元尺寸为40 mm对打磨机几何模型划分网格得到有限元模型，节点数为1 180 935，单元数为265 034，如图5所示。

图5 有限元模型

根据打磨机工作状态，对两立柱底部施加固定约束，按表1，表2施加力和力矩，考虑到横梁自重的影响，施加沿Y轴负方向的重力加速度为9.8 m/s2.如图6所示。

图6 约束模型

进入ANSYS Workbench求解模块进行分析计算，结束后查看变形和应力结果，最大总变形为0.07 mm，X、Y、Z三个方向上的变形分别为0.027 mm，0.000 4 mm，0.04 mm.忽略应力集中，最大应力为6 MPa.如图7~11所示。

图7 总变形云图

图8 X向变形云图

图9 Y向变形云图

图10 Z向变形云图

图11 等效应力云图

4 轻量化设计

若一个响应函数f，可以由一个或一个以上的输入变量（x1，x2，…，xn）来表示，那么，f对于输入变量的偏导数，就是输入变量对响应函数的灵敏度。表示为：S=，其中，i=1，2，3…n.S代表灵敏度[7-8]。灵敏度分析可以确定输入变量对响应函数的影响程度的大小，提高优化设计的效率。

打磨机的结构组成主要是立柱的前后壁板、侧壁板、筋板，横梁的前后壁板、侧壁板、筋板。它们的厚度尺寸分别用P2、P1、P3、P5、P4、P6表示，其初始值分别为20 mm、20 mm、15 mm、20 mm、20 mm、15 mm.各个板如图12所示。

图12 打磨机尺寸

改变各板面的厚度尺寸，在ANSYS中做受力分析，得到各个尺寸对响应函数的灵敏度，如图13所示。由图可以看出，P1、P2对打磨机质量影响最大。

图13 参数灵敏度分析

同理，得到各个尺寸对响应函数的响应曲面，如图14~16所示。

图14 P1、P2对质量的响应曲面

图15 P3、P4对质量的响应曲面

图16 P5、P6对质量的响应曲面

通过对参数灵敏度分析和响应曲面的有机结合，可以方便、快捷地选择最优设计变量。在ANSYS中列出优化方程：

Min Geometry Mass

优化结果：

Geometry Mass（kg）

优化前23 953

优化后23 443

由优化结果得：通过改变打磨机各个板面的厚度尺寸，可以在保证刚度的基础上降低质量，对打磨机结构设计具有指导意义。

5 结束语

通过比较不同打磨方案的优缺点，介绍了双龙门式数控打磨机结构方案。根据打磨机在工作过程中的负载情况，分析其强度和刚度。由灵敏度分析和响应曲面分析，得出打磨机前后壁板和侧壁板的厚度尺寸是对打磨机质量影响最大的尺寸，可将其作为优化时变化范围最大的参数。在保证刚度不降低的前提下，打磨机质量降低了510 kg.优化参数灵敏度的大小，对打磨机设计有很大的参考价值。

[1]朱瑛，程明，花为，等.考虑损耗转矩的风力发电系统最大风能跟踪控制[J].中国机电工程学报，2013，33（19）：39-40.

[2]Zhe CHEN.A Review of Power Electronics for Wind Power [J].Power Electronics，2011，45（8）：11-12.

[3]廖高华，乌建中，张磊安.风机叶片静力加载节点优化及试验研究[J].机械科学与技术，2016，35（1）：18-20.

[4]时辰.风电叶片磨削加工中磨削力及表面成形过程研究[D].天津：河北工业大学，2014.

[5]卜迟武.风电叶片打磨机器人的控制研究[D].黑龙江：哈尔滨工程大学，2012.

[6]赵小乐.叶片砂带磨削机床研发[D].长春：吉林大学，2011.

[7]魏鹏飞.结构系统可靠性及灵敏度分析研究[D].西安：西北工业大学，2014.

[8]郭垒，张辉，叶佩青，等.基于灵敏度分析的机床轻量化设计[J].清华大学学报（自然科学版），2011，51（6）：846-850.

Structural Design and Lightweight Research of Grinding Machine for Wind Turbine Rotor Blade Surface

LE Yun-fei，SONG Lai-gen
（School of Mechanical and Energy Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

In order to polish the surface of the wind turbine rotor blade，a grinding machine is designed according to a certain type of blade.Based on the self gravity of the grinding machine and working load during grinding process，do strength analysis，stiffness analysis and optimization design by using Solidworks and ANSYS.By means of sensitivity analysis and response surface analysis，the stiffness can be maintained while reducing the mass of machine by 510kg.The result shows that the sensitivity analysis method and the response surface method are the effective ways to do lightweight research.

grinding machine；strength analysis；stiffness analysis；sensitivity analysis；response surface analysis；lightweight

TK83

：A

：1672-545X（2017）01-0029-04

2016-10-12

乐韵斐（1964-），女，上海人，副教授，硕士生导师，研究方向：机械设计，机电液控制技术。