风机叶片模具液压翻转机构的设计_冯消冰

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一种兆瓦级风机叶片模具的翻转机构[实用新型专利]

专利名称：一种兆瓦级风机叶片模具的翻转机构
专利类型：实用新型专利
发明人：王欣,孙永峰,张存义,黄再满,卜高乐,罗晓军,陈智刚,杨洪先
申请号：CN200820233753.7
申请日：20081222
公开号：CN201317068Y
公开日：
20090930
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种兆瓦级风机叶片模具的翻转机构，它包括液压系统与翻转装置；该翻转装置位于水平且并排放置的该叶片模具的上、下模支架之间，并分别与上、下模支架的内侧连接，上模支架以所述翻转装置为轴心翻转180°后与下模支架合模；其特点为：2个辅助液压翻转系统，分别设于模具的两端，且与上模支架的两侧壁固接；翻转装置至少设置3个，等间距布设于上下模具之间，翻转装置设有下部立管、下部横管、上部拉管与上部横管；下部立管、上部拉管与上部横管相接处构成翻转装置的轴心；合模时上模翻转到位，拆下定位销，上模能够上下竖直运动，保证上下模对正，合模。

启动液压辅助翻转系统；可保证上模平稳翻过临界点，安全可靠，易于实施。

申请人：中材科技风电叶片股份有限公司
地址：102101 北京市延庆县北京261信箱
国籍：CN
代理机构：北京诺孚尔知识产权代理有限责任公司
代理人：庞涛
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风电叶片翻转模具液压同步控制系统的设计

风电叶片翻转模具液压同步控制系统的设计韩幸;刘杰【摘要】液压同步回路在液压系统中的应用十分重要，液压同步的控制方案有多种。

通过对叶片翻转模具传统手控、泵控同步方案的分析，提出了基于阀控同步的风电叶片翻转模具液压系统的设计方案，说明了该系统在实际应用中的优点。

该系统有效地解决了臂架和模具钢变形、模具上下模错位等工程问题。

%Hydraulic synchronous circuit plays an important part in hydraulic system .There are many control methods in synchronous control system .Through the analysis of traditional manual control and synchronous pump control for blade turning mould ,this paper proposes the design of wind power blade turning mould hy-draulic system based on synchronous valve control .The advantages of the system in application are expoun-ded.The system can effectively solve such problems as deformation of the jib and mould steel ,and dislocation of the mould.【期刊名称】《湖北理工学院学报》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P9-12)【关键词】叶片翻转模具;液压系统;同步控制;阀控【作者】韩幸;刘杰【作者单位】湖北理工学院机电工程学院，湖北黄石 435003;三一电气有限责任公司研究院，广东珠海 519100【正文语种】中文【中图分类】TH137同步是指2个或2个以上的液压执行机构(液压缸或液压马达)，在相同时间内运动保持同位移(液压缸)或同转角(液压马达)。

风电叶片液压模具翻转控制分析

今日制造与升级 45自动化技术与应用风力发电以基建周期短、装机规模灵活，以及清洁可再生能力在我国发展十分迅速。

风力发电叶片将风能转化为电能，以巨大蕴量保证发电系统的正常运行。

随着经济水平的增加，对风力发电装机功率和叶片尺寸的要求也越来越高，因此需要大型的风电叶片模具。

大型风力发电叶片机组模具长度在70m 以上，因此对翻转系统翻转同步稳定性和承载负荷能力的要求也更加严格。

目前传统行车机械式翻转系统对于大型风力发电叶片模具的要求已经难以满足。

当前以PLC 控制比例开口度对油泵输出油量进行调整，从而控制3个或以上的翻转臂液压翻转系统，这种方式为目前国内外普遍采用的方式。

这种方式因为模具长度较长以及模具自重较大，因此在翻转过程中以及模具开合过程中对翻转臂的同步性产生一定影响，严重影响模具的使用期限。

文章对基于变频电机实施闭环调速的多翻转臂液压自动开合模控制系统进行介绍，基于多翻转机构系统，对翻转机构的翻转油缸工作原理进行分析，对液压电气系统进行改进和设计，采用PID 闭环控制模式，对翻转过程中翻转角度同步性和平稳性等难题进行有效解决[1]。

1 液压翻转系统的工作原理和结构1.1 翻转系统结构翻转结构包括翻转油缸、支撑油缸、旋转机架、固定机架、旋转中心轴；风电叶片模具构成包括固定面和运动面，也就是背风ss 面和迎风ps 面，多个液压翻转机构架和模具分别实施刚性连接。

1.2 分析翻转系统工作原理由于多个翻转机架结构和模具翻转过程中有类似动作，因此对分析其中一个翻转机构。

图1中液压翻转油缸II 和I 下方的铰接点通过销轴连接与翻转机架底座固定，液压翻转油缸2和1上处的铰接点翻转机架可翻转，a1、b1、a2、b2分别为其对应位置。

o 表示液压翻转机翻转部位的中心轴，d1为液压翻转机固定部位铰接点与o 之间的距离，d2为翻转机架中心轴与o 之间的距离，r2、r1表示翻转机架可翻转部位与液压翻转油缸和中心轴的距离。

风电叶片模具液压翻转机构设计分析

一
产需要，从而生产出更多高质量的风电叶片，为国家和社会服务。
参考文献
当翻转过程中，模具的开、合受到振动影响最大的状态分别
１１王宗伟．风电叶片模具翻转机构动力学分析及优化设计［Ｊ】．机械是开模状态、合模状态、模具重心垂直状态、油缸在死点状态等。『
４结论
翻转机构是风电叶片制造中的关键，全自动液压翻转机构可以弥补机械行车的吊装翻转机构的不足之处，从而不仅提高了生
（ａ）翻转机几何模型（ｂ）翻转机实体模型
图１
产产品的质量，也提高了生产效率，更提高了生产安全性。因此，定要进一步研究液压翻转机构，从而让新型翻转机构更符合生
压翻转操作简单、工作效率高、安全性加大。因此，全自动液压翻顶推油缸。铰点顶推油缸的缸径是１２０ｍｍ，杆径是８０ａｍ，ｒ速度比
转是风力叶片主要的翻转形式，一定要进一步加以完善，从而提是２，运动距离是１２０ｍｍ。其油缸可实现的推力最大可达
品发生质量问题。
步运动。其中，翻转缸径是１３０ｍｍ，杆径是９０ｍｍ，速度比是１．８，还
还有，因为机械行车的吊装翻转模具不仅重量大，长度也长，有，油缸１的运动距离是８９０ｍｍ，油缸２的运动距离是９９６ｍｍ。其所以，其操作难度很高，容易在行车中受损，安全性也没有保证。油缸可实现的推力可达２４００００Ｎ。而且，为了有效抑制铰点在翻转特意在销轴的下发设置了一个铰点而全自动液压翻转却可以完全解决以上问题，这是因为全自动液过程中沿着腰圆孔向下滑移，

风电叶片模具翻转液压系统控制与设计

如图３所示，Ｏ为机构翻转中心轴，１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２
分别为翻转油缸Ｉ、翻转油缸 Ⅱ与固定机架和旋转机
架的铰接点、距中心点Ｏ的距离分别为Ｄ１、Ｄ２、尺１、
Ｒ２。油缸Ｉ与油缸 Ⅱ 的长度１、为变量。规定完全
ｌ０
液压与气动
２０１３年第ｌ期
风电叶片模具翻转液压系统控制与设计
文０冰。支０桂ＬＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｅｖｅｒｓｉｂｌｅＳｙｓｔｅｍｆｏｒＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＭｏｕｌｄ
图１翻转机构
１．２翻转机构翻转过程
频同步，每个翻转机构各由一套电机泵组供油，通过变
频电机的转速控制泵的排量，实现翻转角度的半程同步。ｒｔｗ于电机调速比液压调速反应灵敏度低得多，导
致体动念性能较差，并增加了成本。针对多翻转
翻转机构的开模过程如图２所示。
Ａ表示为完全合模状态，Ｂ表示向角度１），Ｃ表示翻转油缸ＩＪ经过
机构系统，在分析翻转机构的两组翻转油缸工作原理的基础Ｉ，设计改进液电气系统、应用ＰＩＤ闭环控制式，以解决翻转过程平稳性以及翻转角度同步性等

全自动液压翻转机构优化实例分析

引言
机械行车的吊装翻转和全自动液压翻转机构是风力机叶片模具开合过程中的两种主要形式。其中，全
自动液压翻转机构这种翻转形式相对较高效、稳定、安
全，并已成为成产风力机叶片的首选翻转形式。主要
是因为机械行车的吊装翻转在风力机叶片模具开合过
ＬＵＺｈｉ
（辽宁地质Ｔ程职、学院．辽宁丹东
１１８００８）
摘
要：模具在大型风力机复合材料叶片的生产过程中地位举足轻重。设计优化了一种新型全自动液
压翻转机结构作为生产大型风力复合材料叶片过程中的必备模具，从机械、液压、电控三方面的远动优化控
力。优化油缸运动速度如图５所示。
ａ）几何模型
ｂ）实体模型
∥ｓ
图２大型风机叶片模具翻转机构示意图
每个油缸处于死点状态时的位置，模具的重心处
于垂直状态时的位置，翻转机处于开模状态时的位置，
ａ）角速度变化曲线
１死点
专霹
开模
￡／ｓＯ．２５Ｏ．２
后，垂直向下运动，与其下方的固定模进行合并。采用
２液压翻转机的结构模型及机械速度优化２．１液压翻转机模型的基本结构
液压翻转机的基本结构包括：机座、翻转架、油缸、
铰点顶推油缸等，其中２个油缸，其余均为１个。为更好的固定翻转机，采用地脚螺栓使其整体固定在地面，

风电叶片模具液压翻转机构的速度控制

2010年第7期液压与气动m odbus通信由1台主站(PLC)和最多31台从站构成。

主站和从站的通信通常以主站开始通信、从站响应的方式进行。

主站同时和1台从站进行信号通信。

因此,对各个从站预先设定地址编号,主站指定该编号进行信号通信。

接到主站指令的从站执行指定的功能,对主站作出响应。

本文论述的控制系统由1台PLC和3台变频器组成,其中1台控制龙门走行和天车走行,另2台分别控制前轮和后轮各2个转向电机。

连接示意图如图5所示。

图5 PLC与变频器连接示意图硬件为485通信接口,通信周期为25m s左右,即控制系统的采样频率在25m s左右。

经现场测试,通信效果良好。

5 结论(1)本文基于电液推杆在工业控制环境中的诸多优势,设计并制造了带有自动转向系统的3t龙门吊;(2)采用了双闭环控制策略,实现了3t龙门吊的自动转向功能;(3)系统采用PLC、接触器、超声传感器和lvdt位移传感器组成的控制系统,可靠性高;(4)现场调试过程中,通过对双闭环增益的合理取值和通信周期的设置,实现了系统的稳定运行以及保证了良好的通信效果。

参考文献:[1] 胡勇.电液推杆中插装式组合阀的设计[J].机械制造,2004,42(481):53-55.[2] 郭继平,陈洪文,冯亚军,张艳珍,马玉东.电液推杆在焦炉四大车的应用[J].燃料与化工,2004,35(5):20-21.[3] 李文宇,赵玉龙,李运华.运枕龙门吊计算机控制系统的设计与实现[J].液压与气动,2005,(8):47-49.风电叶片模具液压翻转机构的速度控制孙后环,徐海涵,杨谋存,殷晨波The speed contro l of hydraulic upt ur n i ng m ec han is mforw i nd po wer blade moldSUN H ou huan,XU H ai han,YANG M ou cun,Y I N Chen bo(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 210009)摘要:分析了风电叶片模具液压翻转机构的工作原理,给出了保证液压翻转机构实现平稳性翻转的条件和算式,设计了翻转架同步控制系统和算法,实现了两个翻转支架的同步翻转。

大型风电叶片模具翻转系统设计研究

大型风电叶片模具翻转系统设计研究石鹏飞【摘要】分析大型风电叶片模具翻转系统控制原理,计算翻转支撑点位置对载荷分布、上壳体模具变形的影响,合理分配翻转机构支撑点位置.理论推导翻转油缸及各连接轴载荷计算公式,为翻转机构结构设计提供理论依据,同时为各铰点进一步优化提供基础.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2018(031)005【总页数】4页(P37-40)【关键词】叶片模具;翻转系统;结构设计;优化【作者】石鹏飞【作者单位】三一重能有限公司,湖南长沙 410100【正文语种】中文【中图分类】TH132.3;TH60 引言大型风电叶片气动外形由叶片模具保证，而叶片模具的合模位置控制及平稳运动直接关系到叶片模具的操作安全与叶片制造精度。

作为大型风电叶片模具关键技术之一的翻转系统，设计定位的准确、翻转运动的平稳是叶片生产制造成功的保证。

王宗伟[1]对液压翻转机构进行动力学的分析和优化，乐韵斐等[2]通过MATLAB优化工具箱对风电叶片模具液压翻转机构进行优化，实现风电叶片模具液压翻转机构的参数化优化设计，为液压控制系统和电控部分的设计打下理论基础。

冯消冰等[3]从机械、液压、电气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，孙后环等[4]设计了翻转架同步控制系统和算法，刘冰等[5]通过设计改进液压、电气系统，应用PID控制策略，极大改善了多翻转机构的叶片模具翻转过程的平稳性和同步性。

主要从多翻转机构的位置分布对模具的形变影响、翻转机构的运动与载荷分析提供翻转机构的设计思想及优化布置，为大型风电叶片模具的平稳运行提供理论设计基础。

1 翻转系统控制原理风电叶片模具液压电气控制系统原理如图1所示。

翻转机构与拔销机构数量相同，且每一个翻转机构配备一个拔销机构，数量≥2。

锁紧机构及顶升机构数量根据风电叶片模具的长度、截面数量、带载顶升重量有关，一般情况下，顶升机构的数量≥4×翻转机构的数量，且前缘、后缘对称布置。

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mm，油缸的翻转力为 985 kN。
翻转机构是一个三
铰点变幅翻转机构，由
于翻转油缸在翻转过程
中成对称形式。如果忽
略转动副的摩擦，同时
考虑由于油缸运动速度
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
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 180° 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 30 t。翻转机构要求构造简单、使用方便。
翻转同步控制系统的主要功能如下：（ 1）翻转架的同步运动；
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［5］：
（ 2）检查液压泵（油）的过热；
（ 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
·69·
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；
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 30 L / min，具有 3 MPa /21 MPa 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 180° 同步翻转动作。翻转油缸 1 的行程为 890 mm，缸径 125 mm，杆径 90 mm，速比 2；油缸 2 的行程为 996 mm，缸径 125 mm，杆径 90，速比 2。翻转油缸可提供的最大推力约 240 kN （按实际工作压力为 20 MPa 计）。
在翻转架相对于
机座 180°的开、合过
程之中，有几个重要的状态位置，分别
为：开模状态位置、
油缸 1 的死点状态位
置、模具重心垂直状态位置、油缸 2 的死
点状态位置、合模状
态位置。在以上的 5
个状态位置上，模具
均易发生冲击振动，图 3 大型风机叶片模具翻
另外，为了在翻转过程中保证铰点处销轴不沿着腰圆孔向下滑移，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 100 mm，缸径 100 mm，杆径 70 mm，速比 2，可提供的最大推力为 157 kN （扣除压力损失，按实际工作压力为 20 MPa 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 MPa）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 21 MPa），使各油缸等速伸缩。油缸的行程为 100 mm，缸径 40mm，杆径 25 mm，速比 2，可提供的最大推力为 25 kN，拉力 15 kN。
（ 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；
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［2］。
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 mm / s，油缸 2 的运动速度为 8 mm / s，进行运动
仿真。图 4 为仿真结果，其中最大角速度为 2. 71° / s，
第4 期如图 2。
冯消冰等：风机叶片模具液压翻转机构的设计
·67·
最大角加速度为 0. 37° / s2 。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。
图 2 大型风机叶片模具翻转机构示意图
收稿日期： 2010 － 01 － 07 作者简介：冯消冰（ 1981—），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：
13948112206，E － mail： yijiufxb@ 163. com。
FENG Xiaobing，WANG Wei，REN Weihua，LI Junzhi （ The Sixth Institute of China Aerospace Science and Technology Corporation，Hohhot Inner Mongolia 010010，China）
Keywords： Wind turbine； Blade； Mould； Hydraulic reversal structure
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，MW 级风力机叶片模具的长度一般为 30 ～ 50 m，而且由于其由钢结构构成，较大的模具质量可达 30 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］。 1 液压翻转机的工作过程
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
（ 3）检查旋转臂是否运行错误的速度；
液压翻转机构的电气控制系统由泵站电气系统和
（ 4）机器运转时，有指示灯警告危险；
翻转同步控制系统组成。其中泵站电气系统为常规系
（ 5）发生故障时快速关闭整个系统。
统，采用 380 V 交流电做能源；翻转同步控制系统由
2011 年 2 月第 39 卷第 4 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS
Feb． 2011 Vol. 39 No. 4
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2011. 04. 021
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
图 4 翻转架合模仿真结果
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 250 s，优化后作业时间约 290 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
关键词：风力机；叶片；模具；液压翻转机构中图分类号： TH122 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 3881 （ 2011） 4 － 066 － 4
Design on Hydraulic Reversal Structure for Wind Turbine Blade Mould
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。Fra bibliotek2. 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 90° 时，油缸 1 切换为主动缸，
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 493. 41 kN；在模具
的重心到达垂直于转轴位置时，所需推力最大，为
660. 45 kN。
·68·
机床与液压
第 39 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
在大型风机叶片模具液压翻转中，需要多个油缸
安装在控制柜内的主控制器和安装在翻转机构上的副同时工作，要求它们以相同的速度或相同的位移进行
控制器等组成，其中副控制器为每个翻转机构上一运动，即要求实现同步运动。随着液压技术在工程技
套，相互之间通过 CAN 总线进行电气连接。
术领域中应用的日益扩大，负载能力的增加，多缸的
模具的开、合模示意图如图 1。
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孔，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