一种可快速更换翼型的刚性风电叶片模具结构

技术领域

本发明涉及风轮机叶片模具领域，具体是一种可快速更换翼型的刚性风电叶片模具结构。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用，主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电，风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风力发电的技术，大约是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

随着国家对清洁能源的大力发展，风电行业也随之迅速发展，风电叶片的兆瓦级别越来越大，风电叶片的长度从原有的二三十米到现在的一百多米，这使得在制作叶片模具时，制作时的成本变高而且操作工序繁琐。

当前风电叶片模具壳体的结构，典型的为高分子复合材料，如纤维增强塑料，其内部可能包括芯材，如人造泡沫，木材，金属蜂窝材料等。典型的成型工艺包括：手糊成型，手糊袋压成型，真空导入成型，热压罐成型，树脂转移模塑成型，预浸料铺设成型等工艺。典型的模具壳体结构通常具有相对均匀的厚度，其主要功能为提供用于叶片制造所需的外形尺寸、工艺条件(如真空，温度，表面粗糙度)等。

由于模具壳体比较薄、刚度很低，单靠其自身无法保证叶片生产过程中对几何形状的保持，故模具壳体常由复杂的钢架提供支撑。在叶片生产的典型工艺过程中，模具开模状态下的叶片成型，模具合模等过程中，其钢架是整个模具体系的刚度的来源。当前模具壳体本身具有刚度低这一特点，需要要求钢架的刚度比较高，因而设计复杂，重量较重，制作周期长。现有技术中，为了连接模具壳体与钢架，常在模具钢架上布置走向沿模具长度方向的金属管，然后将浸润过树脂的玻纤布包住金属管并手糊在模具壳体背面，再等待其固化。金属管在模具的宽度方向会并列布置数根，使用随形的金属板材与模具壳体做局部连接，该连接有较多的自由度，导致模具壳体在宽度方向的变形不能被充分约束，造成在叶片生产过程中该方向的轮廓变化较大，质量不稳定的情况发生。

为提高模具壳体的刚性，通常在模具壳体背部设计安装不同类型的加强筋，或增加壳体厚度，采用不同类型的芯材，如PET、PVC、巴沙木、铝蜂窝等来提高模具壳体刚度，上述材料成本较高、重量重、成型时对环境有污染，如员工长期接触复合材料会对身体健康带来一定的伤害。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种可快速更换翼型的刚性风电叶片模具结构，该模具结构提高了抗弯刚度，从而大大的提高了壳体在抗变形能力以简化支撑结构，缩短了制作和安装工期，减少结构空间尺寸，减轻机构整体重量，方便运输，降低了能耗与污染，提高了安装效率，节约了成本。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种可快速更换翼型的刚性风电叶片模具结构，它包括用于支撑上模或下模的支撑结构以及用于将上模和下模夹持在一起的夹持结构；

所述的支撑结构包括：截面钢结构框架，底部支撑调节装置，分段式支架，支撑杆，导轨，连接装置型钢和滑块，所述的截面钢结构框架套设在翻转臂上，底部支撑调节装置垂直安装在截面钢结构框架上，连接装置型钢的一端垂直固连在截面钢结构框架的底部，连接装置型钢的另一端与可伸缩的伸缩杆连接，导轨安装在截面钢结构框架的底部，支撑杆的一端铰接在伸缩杆上，支撑杆的另一端通过滑块在导轨上做水平直线移动。

在确定模具壳体型面后，需要调整支撑机构的支撑高度时，先将伸缩杆从连接装置型钢中拔出至限定高度，此时的滑块在支撑杆的带动下，在导轨上滑动至限定位置，然后通过插销插入插销孔，从而限定滑块在导轨上的位置，最终由支撑杆、截面钢结构框架和连接装置型钢构成一个三角形，从而保证支撑连杆支撑模具型面的稳定性和可靠性。

所述的夹持机构包括：电磁铁，金属块和锁紧装置，所述的电磁铁或金属块分别安装在上模或下模上的法兰边内的，锁紧装置套设在上模法兰边和下模法兰边的连接处，锁紧装置通过电磁铁的通电和断电控制为现有技术，此处不作重复说明。

如支撑机构上的模具壳体为下模，待母模脱模完毕后，底部支撑调节装置支撑下模，由行车将下模吊走即可，如支撑机构上的模具壳体为上模，待母模脱模完毕后，需通过翻转梁将其翻转至下模上方，利用夹持机构将上模法兰边和下模法兰边限位紧靠，锁紧上模和下模。

作为本发明的进一步优选，所述的连接装置型钢和支撑杆分别对称设置在截面钢结构框架上，通过两个支撑杆在导轨上水平移动从而加固连接装置型钢相对截面钢结构框架的支撑强度，由调节高度的支撑连杆配合多个分段式支架的支撑，从而支撑起上模或下模，保证位于分段式支架和连接装置型钢上方的上模或下模位置的稳定性。

作为本发明的进一步优选，所述的底部支撑调节装置上的活塞杆与分段式支架可拆卸的连接，当需要更换不同翼型的刚性风电叶片时，只需将分段式支架拆下，调节与叶片形状相匹配的分段式支架的尺寸和连接装置型钢上伸缩杆伸缩高度即可适配不同翼型的模具壳体。

作为本发明的进一步优选，所述的分段式支架的形状与位于其上方的模具壳体的外表面形状相适配，用于支撑不同尺寸的风电叶片。

作为本发明的进一步优选，所述的底部支撑调节装置的数量为至少两个，从而保证支撑的稳定性和可靠性。

作为本发明的进一步优选，所述的导轨通过螺纹连接的方式固定在截面钢结构框架的底部，当需要快速更换不常用的尺寸的刚性叶片时，通过调整两个导轨的位置，从而调整连接装置型钢上伸缩杆的伸缩高度。

作为本发明的进一步优选，所述的导轨上设有插销孔用于对滑块的限位，当需要滑块水平活动至限定位置时，通过提前将插销插入插销孔后，将滑块在导轨上滑动至极限位置，从而限定滑块在导轨上滑动的极限位置。

作为本发明的进一步优选，所述的支撑杆和滑块通过铰接的方式连接。

作为本发明的进一步优选，所述的底部支撑调节装置和锁紧装置分别由气泵系统或液压系统提供动力。

作为本发明的进一步优选，所述的气泵系统或液压系统与PLC电路相连。

作为本发明的进一步优选，相邻两个伸缩杆的端部分别与支撑连杆垂直连接，保证了对模具壳体支撑的稳定性和可靠性，同时，根据不同翼型的模具壳体曲面，可以适配不同的模具壳体。

作为本发明的进一步优选，上模法兰边和下模法兰边的内表面带有导向凹凸块用于对正上下模相对位置。

有益效果：本发明所述的一种可快速更换翼型的刚性风电叶片模具结构，与现有技术相比，具有以下优点：

(1)：通过取消使用复杂的钢架结构，整体降低了模具的重量的同时节约了成本；

(2)：增强的模具玻璃钢壳体结构，其抗弯刚度比通常的模具壳体高若干个数量级，从而大大的提高了壳体在抗变形能力，为更少、更简单的支撑结构提供了必要条件；

(3)：通过模具结果得到的模具壳体的抗弯强度比现有技术中的模具壳体强度更高，从而大大的提高了壳体在抗变形能力以简化支撑结构，缩短了制作和安装工期，减少结构空间尺寸，减轻机构整体重量，方便运输，降低了能耗与污染，提高了安装效率，节约了成本；

(4)：当需要更换不同翼型的刚性风电叶片时，只需将分段式支架拆下，调节与叶片形状相匹配的分段式支架的尺寸和连接装置型钢相对截面刚结构框架的上的伸缩杆的伸缩高度即可，降低浪费与污染；

(5)：通过整体结构实现快速更换模具壳体，使总体模具时间成本降低，支持可持续性发展方针；

(6)：制备方法简单，操作容易，施工方便，使用灵活性强，适配性好，易于推广应用。

附图说明

图1为模具壳体安装在支撑机构上的结构示意图；

图2为翻转机构翻转的工作状态示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明的主视图；

图5为导轨的局部放大图；

图6为滑块的内部结构示意图；

图7为锁紧装置的结构示意图；

图8为本发明工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐明本发明。

如附图所示，本发明所述的一种可快速更换翼型的刚性风电叶片模具结构，它包括：翻转臂1，截面钢结构框架20，底部支撑调节装置2，分段式支架3，支撑杆4，导轨5，连接装置型钢6，滑块7，插销孔8，电磁铁9，金属块10，锁紧装置11，圆管12，电磁铁9，金属块10和锁紧装置11。

通过该装置得到下模需要以下工序：在母模上制作模具壳体30、分析底部支撑调节装置2的分布间距、手糊模具壳体30背部均匀排布圆管11、涂覆背部刚性增强层材料、对母模进行脱模；

通过该装置得到上模需要以下工序：在母模上制作模具壳体30、分析底部支撑调节装置2的分布间距、手糊模具壳体30背部均匀排布圆管11、涂覆背部刚性增强层材料、对母模进行脱模、翻转截面钢结构框架合模、法兰边连接和根据模具3D模型进行激光检测及型面调节；

母模为原模，上模和下模皆在原模上制作，如图1所示，如需要制作下模，待其制作完毕后将位于下模内表面的母模脱模即可，如需要制作的是上模，则需要在上模制作完成后，将上模内表面的母模脱模完再通过翻转机构将上模翻转至下模上方即可，如图2所示。

在需要更换壳体结构时，将模具壳体30从其对应的分段式支架3上运走即可，底部支撑调节装置2可重复使用于不同叶型的模具结构，当模具壳体更换后，底部支撑调节装置2的高度根据模具壳体30表面曲率变化调整即可使用，极大的降低浪费与污染，节约成本，为经济与环境的可持续发展提供更好的解决方案。

对比实验数据

以市场上能购得的80米模具为例进行对比，分别对模具壳体的各项参数进行比较，具体如下：

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由此对比可知，通过该方法得到的可更换壳体的结构提高了抗弯刚度，从而大大的提高了壳体在抗变形能力以简化支撑结构，缩短了制作和安装工期，减少结构空间尺寸，减轻机构整体重量，方便运输，降低了能耗与污染，提高了安装效率，节约了成本

实施例1

步骤一、在母模的外表面制作模具壳体30作为下模，并依次对模具壳体30背部的型面层、加热层和增强层固化，然后在模具壳体30两侧的法兰边预埋方管，在40℃的温度下固化7h；

步骤二、待模具预埋方管固化工序完成后，通过FEA力学有限元分析软件分析模具壳体30上各个组成部分的受力情况；

步骤三、在模具壳体30背部均匀排布圆管11后，用环氧树脂与LTM800/225玻纤布手糊2层时预留圆管11和支撑结构连接窗口，手糊工序完成后，在室温条件下固化12h；

步骤四、待手糊工序完成后，在模具壳体30背部涂覆背部刚性增强层材料；

背部刚性增强层的制作步骤如下：

(1)、将质量份数为10份的珍珠岩、膨润土、陶瓷颗粒、玄武岩或氧化硅和质量份数为5份的纤维丝、短钢丝或石英砂加入到行星搅拌设备里混合5min后搅拌均匀，再将质量份数为30的环氧树脂加入搅拌机里搅拌10min，当粘稠度为10000cp时得到背部刚性增强层材料；

(2)、通过挤出设备或手工挤出的方式将刚性增强层材料以2cm的厚度均匀涂抹在模具壳体背部除去预留的连接窗口之外的地方；

(3)、待模具壳体背部除去预留的连接窗口之外的地方涂覆完成后，在室温下固化6～10h后即可得到背部刚性增强层。

步骤五、待背部刚性增强层成型后，对母模进行脱模；

底部支撑调节装置2根据型面的曲率波动进行调整用于配合不同型面的支撑，型面曲率波动在Pro/E软件内建模，结合ANASYS分析软件得出型面的曲率变化，从而进行型面支撑设计调整；

底部支撑调节装置2为由气泵提供动力的可伸缩的活塞杆作为支撑元件，在需要对模具壳体支撑时，先根据步骤二中计算的结果对底部支撑调节装置的位置进行确定，然后根据上模外表面曲面情况确定型面曲率波动在Pro/E软件内建模，结合ANASYS分析软件得出型面的曲率变化，最跟根据曲率变化确定活塞杆伸出长度，滑块7在导轨5上滑动至限定位置后，通过提前将插销插入插销孔8后，将滑块7在导轨5上滑动至极限位置，从而限定滑块7在导轨5上滑动的极限位置，从而调整两个连接装置型钢6上伸缩杆61伸出的高度，通过两个连接装置型钢6和多个分段式支架3与模具壳体30型面相适配，实现对模具壳体30的支撑；

最终通过行车将母模从支撑结构上调走即可。

实施例2

步骤一、在母模的外表面制作模具壳体30作为下模，并依次对模具壳体30背部的型面层、加热层和增强层固化，然后在模具壳体30两侧的法兰边预埋方管，在50℃的温度下固化9h；

步骤二、待模具预埋方管固化工序完成后，通过FEA力学有限元分析软件分析模具壳体30上各个组成部分的受力情况；

步骤三、在模具壳体30背部均匀排布圆管11后，用环氧树脂与LTM800/225玻纤布手糊2层时预留圆管11和支撑结构连接窗口，手糊工序完成后，在室温条件下固化12h

步骤四、待手糊工序完成后，在模具壳体30背部涂覆背部刚性增强层材料；

背部刚性增强层的制作步骤如下：

(1)、将质量份数为30份的珍珠岩、膨润土、陶瓷颗粒、玄武岩或氧化硅和质量份数为10份的纤维丝、短钢丝或石英砂加入到行星搅拌设备里混合10min后搅拌均匀，再将质量份数为70份的环氧树脂加入搅拌机里搅拌20min，当粘稠度为20000cp时得到背部刚性增强层材料；

(2)、通过挤出设备或手工挤出的方式将刚性增强层材料以20cm的厚度均匀涂抹在模具壳体背部除去预留的连接窗口之外的地方；

(3)、待模具壳体背部除去预留的连接窗口之外的地方涂覆完成后，在室温下固化10h后即可得到背部刚性增强层。

步骤五、待背部刚性增强层成型后，对母模进行脱模；

底部支撑调节装置2根据型面的曲率波动进行调整用于配合不同型面的支撑，型面曲率波动在Pro/E软件内建模，结合ANASYS分析软件得出型面的曲率变化，从而进行型面支撑设计调整；

底部支撑调节装置2为由气泵提供动力的可伸缩的活塞杆作为支撑元件，在需要对模具壳体支撑时，先根据步骤二中计算的结果对底部支撑调节装置的位置进行确定，然后根据上模外表面曲面情况确定型面曲率波动在Pro/E软件内建模，结合ANASYS分析软件得出型面的曲率变化，最跟根据曲率变化确定活塞杆伸出长度，滑块7在导轨5上滑动至限定位置后，通过提前将插销插入插销孔8后，将滑块7在导轨5上滑动至极限位置，从而限定滑块7在导轨5上滑动的极限位置，从而调整两个连接装置型钢6上伸缩杆61伸出高度，通过两个连接装置型钢6和多个分段式支架3与模具壳体30型面相适配，实现对模具壳体30的支撑；

最终通过行车将母模从支撑结构上调走即可。

实施例3

步骤一、在母模的外表面制作模具壳体30作为上模，并依次对模具壳体30背部的型面层、加热层和增强层固化，然后在模具壳体30两侧的法兰边预埋方管，在45℃的温度下固化8h；

步骤二、待模具预埋方管固化工序完成后，通过FEA力学有限元分析软件分析模具壳体30上各个组成部分的受力情况；

步骤三、在模具壳体30背部均匀排布圆管11后，用环氧树脂与LTM800/225玻纤布手糊2层时预留圆管11和支撑结构连接窗口，手糊工序完成后，在室温条件下固化12h；

步骤四、待手糊工序完成后，在模具壳体30背部涂覆背部刚性增强层材料；

背部刚性增强层的制作步骤如下：

(1)、将质量份数为20份的珍珠岩、膨润土、陶瓷颗粒、玄武岩或氧化硅和质量份数为8份的纤维丝、短钢丝或石英砂加入到行星搅拌设备里混合7min后搅拌均匀，再将质量份数为50份的环氧树脂加入搅拌机里搅拌16min，当粘稠度为15000cp时得到背部刚性增强层材料；

(2)、通过挤出设备或手工挤出的方式将刚性增强层材料以10cm的厚度均匀涂抹在模具壳体背部除去预留的连接窗口之外的地方；

(3)、待模具壳体背部除去预留的连接窗口之外的地方涂覆完成后，在室温下固化8h后即可得到背部刚性增强层。

步骤五、待背部刚性增强层成型后，对母模进行脱模；

底部支撑调节装置2根据型面的曲率波动进行调整用于配合不同型面的支撑，型面曲率波动在Pro/E软件内建模，结合ANASYS分析软件得出型面的曲率变化，从而进行型面支撑设计调整；

底部支撑调节装置2为由气泵提供动力的可伸缩的活塞杆作为支撑元件，在需要对模具壳体支撑时，先根据步骤二中计算的结果对底部支撑调节装置的位置进行确定，然后根据上模外表面曲面情况确定型面曲率波动在Pro/E软件内建模，结合ANASYS分析软件得出型面的曲率变化，最跟根据曲率变化确定活塞杆伸出长度，滑块7在导轨5上滑动至限定位置后，通过提前将插销插入插销孔8后，将滑块7在导轨5上滑动至极限位置，从而限定滑块7在导轨5上滑动的极限位置，从而调整两个连接装置型钢6上伸出杆61的伸出高度，通过两个连接装置型钢6和多个分段式支架3与模具壳体30型面相适配，实现对模具壳体30的支撑；

步骤六、待母模脱模完成后，增加刚性增强层；

将连接装置型钢6与模具壳体背部的圆管进行焊接固定并在圆管外围增加手糊层连接，以环氧树脂或胶凝剂为基础载体加入无机非金属陶瓷填料组作为增强型陶瓷壳体通过手糊的方式涂覆在背部刚性增强层表面；

步骤七、合模

通过翻转机构的翻转臂1焊接在翻转截面钢架框架上，由液压系统控制翻转臂工作，翻转实现上模的翻转，最终合模；

步骤八、安装夹持机构连接模具壳体；

上下模具法兰边预制金属块10及电磁铁9，法兰边表面带有导向凹凸装置用于对正上下模相对位置，通过电磁铁9通断电来进行模具在叶片固化时锁紧装置11的锁紧闭合，锁紧装置11由液压传动或气动传动的方式控制上模法兰边和下模法兰边的连接处的连接和分开；

步骤八、根据模具3D模型进行激光检测和型面调节

通过翻转机构将上模翻转至下模上方，待合模完成后，通过激光检测机构检测需要调整之处，然后通过抛光设备或人工对合模后的上模和下模进行型面的调节。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。