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采用长纤维热塑性复合材料注塑替代手工成型生产小型风电叶片的研究分析2013-12-23 11:49:20 阅读:2648 作者:宁树林 任坤华 张陆阳 杨仲义 来源:《中小型风能设备与应用》

  南车二七车辆有限公司 摘 要:本文简单介绍了使用长纤维热塑性复合材料替代传统手糊工艺生产小型风机叶片的意义、优势、可行性以及生产方法,并以现有的一款叶片为例对相关环节进行分析验证。CNWPEM.COM
  关键词:热塑性复合材料 注塑 风电叶片 长纤维CNWPEM.COM
  引言CNWPEM.NET
  中小型风电叶片是应用于中小型风力发电机上的关键核心部件之一。目前的制作方法主要是采用玻璃钢手糊工艺生产,但玻璃钢材料制造工艺生产效率低、成本高,不适合未来大批量生产。采用长纤维热塑性复合材料注塑生产的风轮叶片,无论从理论分析还是从实验验证,都表明可替代玻璃钢的可行性,发展前景十分广泛。中国风电材料设备网
  1. 现有工艺及其存在的问题cnwpem.com
  目前国内小型风电行业所使用的风电叶片主要采用手糊成型工艺加工。CNWPEM.COM
  1.1 手糊成型工艺简介中国风电材料设备网
  手糊成型工艺又称接触成型工艺。即手工作业把玻璃纤维织物和树脂交替铺在模具上,然后固化成型为玻璃钢制品的工艺。CNWPEM.COM
  手糊成型工艺流程图如图1 所示。www.cnwpem.net

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  1.2 手糊成型工艺的优点cnwpem.net
  · 是复合材料成型最基本的方法,或者说是一种万能”方法。能够成型任意形状、任意大小的制品;cnwpem
  · 操作简便,操作者容易培训;CNWPEM.COM
  · 设备简单、投资少;中国风电材料设备网
  · 一般情况下不需要加压操作,工艺最为简单cnwpem.net
  · 所用模具材料来源广,制造相对简单。www.cnwpem.com
  1.3 手糊成型工艺的不足CNWPEM.COM
  · 劳动强度大、生产效率低、速度慢、cnwpem.com
  生产周期长(2h 以上);cnwpem.net
  · 产品质量受操作人员技能水平及制作环境条件的影响,故产品质量稳定性差;cnwpem.net
  · 制品的力学性能较其它方法低;cnwpem.net
  · 不够“绿色、环保”,有一定污染CNWPEM.COM
  总之,手糊成型技术依赖于操作者的技能水平,所以,制品质量不易保证和控制。此外,手糊成型技术生产效率低、生产周期长,产品的力学性能也较其他成型方法的产品低。cnwpem.net

  2. 现有生产方式替代玻璃钢材料的CNWPEM.COM
  可行性分析CNWPEM.COM
  2.1 材料性能可行性风电材料设备
  LFT 是长纤维增强热塑性复合材料(Long Fiber Reinforced Thermoplastics)的英文简称,是一种以热塑性树脂(如聚丙烯、风电材料设备
尼龙、聚酯等)为基体,以长纤维(玻璃纤维、麻纤维、碳纤维和芳纶纤维)为增强材料的复合材料。它具有重量轻、强度高、低温抗冲击韧性强、耐腐蚀、成型加工性能优良、可设计性好、可重复回收利用、绿色环保等卓越性能。比玻璃钢材料具有更加优良的特性。CNWPEM.COM
  由表1 对比可知,长纤维复合材料有不输于热固性材料的优良性能,配合相应的设计技巧及方法,一定可以作为替代现有小型风电叶片的生产材料。cnwpem.net

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  2.2 工艺可行性风电材料设备
  长纤维热塑性复合材料多采用注塑成型加工工艺,即将受热融化的材料由高压射入模腔,经冷却固化后,得到成形品的方法。cnwpem
该方法适用于形状复杂部件的批量生产,是重要的加工方法之一。风电材料设备
  注射成型过程大致可分为以下6 个阶段:合模、射胶、保压、冷却、开模、制品取出。上述工艺反复进行,就可批量周期性生产出制品,过程如图2 所示。cnwpem

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  现以南车二七车辆有限公司所生产的某型号风电叶片(以下称为A 型叶片)为例,对叶片进行模流分析,其各项数据云图如图3 所示。cnwpem.net
  根据以上有限元分析结果可知,使用长纤维热塑性复合材料注塑成型小型风电叶片各项参数较为理想,不存在欠注、气穴等缺陷,且结构相对简单,有利于纤维的纵向排布,能够保证产品的可靠性、一致性以及力学要求。CNWPEM.COM
  2.3 经济可行性www.cnwpem.net
  注塑成型工艺模具费用采用优质模具钢加工制造,而手糊成型工艺模具多采用木质模,故注塑成型模具成本要比手糊成型工艺高出一些。但是注塑成型自动化程度较高、成型时间短,而手糊工艺成型时间长、人工成本高,故随着生产量的增加,注塑成型的经济优势会越来越明显,制造成本大幅减少。www.cnwpem.net
  注塑成型与手糊工艺成本对比结果如表2 所示。cnwpem

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  2.4 国外情况cnwpem.com
  目前,各大集团公司都在致力于研究可回收利用的热塑性叶片的开发。Gaoth TecTeo 与三菱重工以及Cyclics 公司签署了一份合作协议,共同为全球大规模风场开发热塑性复合材料风电叶片,制作了全球首个12.6米可循环风力机叶片,此叶片退役后,平均每套风力机可回收19 吨叶片塑料材料,在风电工业上堪称史无前列。虽然热塑性树脂较热固性树脂轻,它易于发生蠕变,且用胶粘剂胶接热塑性树脂基复合材料壳体较困难,因此,目前不适用于大型风力机叶片的开发。cnwpem.net
  综上所述,长纤维热塑性复合材料无论是在理论分析还是从国外的成功经验都证明了其可应用于小型风力机的批量化生产。cnwpem
  3. 成功案例cnwpem
  上文所提到的A 型叶片目前已由南车二七车辆有限公司试制成功,并已进入量产阶段,实际生产过程每个叶片所需生产时间为:3.5min/ 片,生产效率远远高于其它生产工艺。注塑加工成型的A 型叶片实物图如图4 所示。CNWPEM.COM

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  在A 型叶片成品试制成功之后,该公司对其内部结构、力学性能、产品质量等进行了相关测试,测试结果如下:www.cnwpem.net
3.1 烧结实验。对样品进行纤维高温烧结,其纤维保留长度结果如下图5 所示cnwpem.com

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  经过马弗炉烧结之后检测其内部纤维长度发现,纤维长度基本都在( > 3.4 ~ 5.8mm)。中国风电材料设备网

 

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  3.2 电镜实验。将制品截断,截面处电镜照片如图6 所示。cnwpem.net

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  对A 型叶片成品断裂部位经过电镜扫描观察,其纤维和树脂之间的包覆情况非常紧密,没有出现纤维拖出现象。cnwpem.com
  3.3 力学性能。对制品进行挂重实验,将叶片根部固定于实验台车臂上,最大静载荷砝码测试值选为300kg 时,匀速上升至1.8m高度后,叶片的根端部(90cm 端处) 逐渐开始出现断裂纹发生与增大扩展,直至最终断裂,此时叶片疲劳断裂强度认为己经达到最大极限值。实验过程如图7 所示。cnwpem.com
  3.4 重量控制。通过合理设计注塑工艺参数,可以注塑生产出合格的热塑性复合材料叶片产品,每个叶片重量为3780g,公差为±15g,完全达到叶片设计的疲劳断裂强度要求。cnwpem
  3.5 噪声。注塑产品表面质量较手糊工cnwpem
  艺更优良,各叶片一致性、稳定性大幅提高,叶片气动外形与设计数据偏差小。故相比手糊成型叶片,注塑成型叶片噪声大幅度降低,A 型叶片目前测量结果为35dB 以下。中国风电材料设备网
  总之,根据上述测试结果,在注塑加工成型后,长玻纤增强热塑性复合材料(PPLGF40)制品中的长纤维(LGF) 的最小保留长度会较大( > 3.4 ~ 5.8mm),明显大于其临界尺寸Lo=1.083mm,并且在制件内可以形成相互缠结纤维的三维空间网络结构。纤维(LGF) 增强效应更加明显,纤维拔出功更大,冲击强度会更高。 纤维头端部的应力集中点也是裂纹引发点,容易造成应力开裂,从而使抗冲击韧性下降。由于长玻纤增强热塑性复合材料叶片制品中的纤维最小保留长度(Lo) 较长,纤维头端部数量则会显著减少,应力开裂减少,从而使刚性强度、抗冲击韧性,以及载荷能量吸收同时得到显著提高。cnwpem.com
  由此可见,长纤维热塑性复合材料完全能够满足小型风力发电机叶片的使用要求,是实现替换手糊成型工艺的理想材料。风电材料设备

  4. 结论和展望cnwpme·com
  用长玻纤增强热塑性复合材料制备风能复合材料叶片,具有更好的力学机械性能和成型加工性能,特别是密度低、高刚性、耐低温抗冲击性好、耐蠕变好,质量控制可靠,产品综合成本降低约30%,因而取代用手糊成型工艺加工的风电叶片是风电行业未来的发展方向。cnwpem.net
  这一成果为国内实现小型风能热塑性复合材料叶片产品的高性能化、国产化奠定了重要基础,具有十分重要科研意义和巨大经济价值,必将为我国风光互补发电系统集成技术与小型风力发电机行业发展做出更大贡风电材料设备
献。CNWPEM.COM

【参考文献】cnwpem.net
[1] 王飞,小型风力发电机叶片设计与制造工艺研究,广西大学, 2007 年06 月07日。CNWPEM.COM
[2] 方鲲,长玻纤增强聚丙烯热塑性复合材料制备风光互补发电体统风能叶片的模具设计和注塑成型,中国塑料, 2013 年3 月,cnwpem.com
第27 卷,第3 期。风电材料设备
[3] 钱伯章,聚合物复合材料的新进展,化工新型材料,2008,36(6)。风电材料设备
[4] 王汝敏,郑水蓉,郑亚萍,聚合物基复合材料及工艺,科学出版社,2003。风电材料设备
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[7] 李宏伟,手糊玻璃钢质量的控制,全面腐蚀控制,2003,17(5)。cnwpem
[8] 方群英,周润培,含胶量对手糊玻璃钢的影响,玻璃钢/ 复合材料,2000。cnwpem.net

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