海洋风电塔筒卷板机研究现状与发展趋势

张翔宇，雷步芳，李永堂，王小建，王鲁军

(1.太原科技大学 研究生院，山西 太原 030024；2.泰安华鲁锻压机床有限公司，山东 泰安 271000)

0 引言

能源的匮乏是目前全球都面临的问题，由于传统能源的日益减少以及其对环境造成的污染，世界能源结构正在进行调整，传统能源将逐渐被风电、水电、核电和太阳能发电等新兴能源所取代。风能作为一种可再生资源，它的储量非常丰富，与传统能源相比更易获得、转化，对环境造成的污染也相对较少。因此，新兴能源中风电在世界能源结构中将逐渐占据重要地位，我国也不例外。目前风电在我国正处于由替代电源向主力电源过渡的时期，风电将会成为我国能源结构中的主力电源[1]。我国风能资源丰富，可用于开发利用的风能储量约10亿千瓦，其中，陆上风能储量大约占四分之一，有2.53亿千瓦，海上的风能储量约7.5亿千瓦。与内陆风电相比，海洋风电风速更高，也可实现高速低速切变，还具有高产出、使用寿命长等特点。目前，对于海洋风电的开发利用也已经成为国际风电发展的一个重要方向。就我国而言，海上的风能资源储量大，特别是东南沿海一带，风能发展前景广阔。

风力发电设备需要借助支撑体将风力发电机高举实现风能发电。圆筒形的风机塔筒支撑稳定，各个方向分解乘风能力均衡，外型美观，得到了广泛认可。风电塔筒在风力发电机组中主要承担支撑作用，是风力发电的塔杆，在支撑的同时吸收机组震动[2]。风电塔筒的制造工艺路线如下：首先在卷板机上下料，如果板料较厚则需要提前开坡口；在卷板机卷制成型后，开始点焊确定位置，确认好位置后焊接内外纵缝；焊接好后做圆度检查，若存在问题就要二次校圆；单节筒体焊接完成后，采用液压组对滚轮架进行组对点焊，并焊接内外环缝，检查直线度等公差；最后焊接法兰并对焊缝进行无损探伤和平面度检查，做喷砂、喷漆处理，完成部件安装，成品检验无误后运输至安装现场。

在塔筒的整个生产制作过程中，卷板机的卷制精度对塔筒的成型有着重要的影响。为此，本文对海洋风电塔筒卷板机研究现状进行了分析并对其发展趋势进行了展望。

1 海洋风电塔筒卷板机发展现状

目前国内中低档卷板机的制造厂家很多，但缺乏专用于生产制造高端海洋风电塔筒和海工桩筒专用卷板装备的生产厂家。随着我国数控机床行业的发展，船用卷板机、罐车用卷板机、核电用卷板机和其他领域卷板机的技术难题多被行业龙头单位泰安华鲁锻压攻克，但是在海洋风电专用高端卷板技术装备领域国内尚属空白。

国内传统海洋风电专用卷板机均是在传统卷板机上加一些简单的附件，操作系统凭借老工人的经验进行手动操作，用其制造海洋风电塔筒和海工桩筒的产品精度差(圆度一般在8 mm)、生产效率低(一般为90 min一节筒体)，机床整机设计上无支撑系统，稳定性差，卷制的筒体错边严重，工件卷制精度最好的水平才达到±8 mm，工件一次成型率不足30%；传统的电机减速机主传动系统极不安全可靠，附件和设备经常发生故障，无法实现高端风电塔筒和海工桩筒的智能化生产。由于用于生产高端海洋风电塔筒和海工平台桩筒的专用数控卷板机床成套装备的研发涉及产品机型设计、机械、数字控制、液压、力学、材料等多个综合学科，其核心技术含量高、成套装备制造难度大、研发投入大、工艺要求超高、工件使用的环境恶劣等原因，尤其是决定装备水平的主传动系统、智能控制系统、板料自动对中及送料方式和高精度筒体错边在线纠正等关键技术一直无法突破，严重阻碍着该类高端装备的创新发展，对此我国只能依赖进口。

国外最先进的生产海洋风电塔筒和海工桩筒专用卷制装备的代表厂家有瑞士HAEUSLER、德国GRAEBENER、意大利FACCIN、瑞典ROUNDO和意大利SERTOM等，他们的产品制件精度和自动化程度高，工件卷制圆度能达到±4 mm，卷制效率达到50 min一节筒体，是国际领先水平。由于这些厂家对我国实行技术垄断和价格垄断，使我国的海工产品要承受高额的成本，严重制约着我国海洋风电、海上平台等国家重点民用和国防工程的建设进程。

2 卷板机研制过程中的关键问题

2.1 卷板机的结构问题

卷板机将板材卷制成筒体一般需要五个步骤：板材对中、端部预弯、连续卷制、末端预弯和最终合口[3]。其中板材对中在一定程度上影响了卷制精度，板材的回弹是卷制工艺中存在的主要问题，对卷制精度也会产生一定的影响。根据实际生产情况的反馈，卷制过程中辊子和机架的变形是影响精度问题的主要因素，因此，研究卷板过程中工作辊和机架的变形机理与补偿方案具有极为重要的意义。

卷板机的上辊主要受到板材弯曲时对它产生的反作用力，该力作用于竖直方向，这种受力形式与简支梁相似，因此，在计算上辊受力时通常会将其简化为简支梁做近似计算。下辊作为卷板机的一个重要部件，在卷板过程中既要以自身轴线为旋转轴带动板材水平移动，还要配合上辊夹紧板材，承受上辊与板材带来的压紧力和重力[4]。在卷制过程中，上工作辊是完成卷板的核心部件，在受力较大时会产生挠变，使对钢板产生的压力分布不均，进而使卷制工件不能很好地合口，直线度和曲率达不到技术要求，直接影响工件的卷制质量。要解决这个问题，就需要对工作辊进行挠度补偿。通过简支梁的近似计算，计算出卷板机上辊的挠度。在保证最大挠度的条件下，计算上辊的支反力，确定上辊受到的均布载荷。利用软件模拟在此载荷作用下上辊的挠度分布得出挠曲变形量，在变形量过大的地方通过计算微调上辊形状补偿挠度，优化结构设计，提高产品卷制精度。

机架是卷板机的关键零部件之一，所承受的压力比较大。卷板机机架的受力主要有两部分，一是上辊下压，二是卷板机在预弯时所产生的偏载负荷压力。上辊下压时，活塞和缸套制件螺栓与斜键产生的连接压力给机架侧面造成极大压力，形成了横向负荷压力，在机架强度和刚度足够的前提下，可以通过减小板厚使机架结构处于最优状态，从而减轻机架重量，节省材料。

2.2 卷板机的上料问题

在卷板机卷制时通过传输带自动上料，与传统上料方式相比在效率、安全性方面有明显的提升，自动送料方式的应用对提高卷板机的自动化水平和卷制质量是有帮助的。虽然目前国内已经成功实现卷板机与自动送料装置成套化，可以完成自动取料、上料、对料、卷制、出料等连续性动作，但是这项技术并不成熟，仍存在诸如板材运输不平稳、组合结构笨重等问题。而国外的卷板机是集自动送料、进料、卷制、出料于一体的，其独有的液压机械辊提升系统在一定程度上保证了卷制弯曲的精确性、可重复性。国外的卷板机也是通过将卷板机与自动送料设备结合在一起组成自动加工单元，通过送料平台水平送料，并设有自动装卸系统。国外的自动送料装置结构较为合理，选取伺服电机与气缸相结合的运动方式，运行平稳[5]。

2.3 国内外对比

目前国内用于制作海洋风电塔筒的上辊万能式卷板机基本都存在卷制速度慢、效率低、卷制工作步骤繁琐等缺点，并且该卷板机卷板时必须要一些起重设备比如行车等辅助操作，这无疑加大了操作难度，对操作该机器的工人技术水平要求提高，还使得工人的任务量增多、劳动强度增加。这种类型的卷板机采取的制动方式是电机减速机驱动，具有明显的缺点，功率的损耗也比其他制动方式大。不仅如此，卷板机在卷制过程中由于卷筒直径较大经常会出现错边现象，产生这种现象后没有有效的方法可以去除，只能多次返工，严重影响了塔筒的生产效率。

与国外专用卷板机相比，国内采用的卷板机总体竞争力不足，主要表现在以下几个方面：①从产品市场占有率来看，国产中占比较大的仍是一些中小型、低档次的卷板机，由于国产卷板机自动化率低、技术水平有限，导致卷板柔性加工单元、数控卷板机的市场基本被国外产品占据；②国内对于卷板成形过程的模拟、卷板机理以及建立数学模型等问题研究进展缓慢[6]；③现有的低速大扭矩液压马达和可直接耦合在工作辊轴端的大扭矩行星减速机等基础件达不到卷板机的要求；④国内的数控卷板系统与最先进的数控卷板系统之间差距还很大，需要更加专业化的开发；⑤卷制塔筒筒径过大带来的筒体下陷及错边问题。

通过以上分析，可以发现我国海洋风电塔筒卷板机的发展还必须解决的关键技术有：精度问题、速度问题、能耗问题、设备问题、工艺问题、驱动问题、数控技术以及研究机理等。

3 海洋风电塔筒卷板机的发展趋势

相对于国外的风电卷板机技术，我国卷板机技术的研究方向及其发展趋势具体体现在以下几个方面：

(1) 国内的中小型风力发电技术已经成熟，然而大型风力发电技术相对还不成熟，仍处于进一步研发当中。风电技术的发展进步使得风电设备需求逐步趋向大型化，风电塔筒尺寸增大，风电塔筒卷板机也逐渐大型化。

(2) 研发智能检测、跟踪前沿技术，力求实现对卷板机的智能化控制。

(3) 实现卷板成套化设备配置，将卷板机作为主要的加工单元。以数控卷板机为中心形成柔性加工单元，实现自动化，这将成为日后卷板机发展的重要方向。

(4) 需要更加深入地研究卷板机技术，特别是对于卷板机的结构问题以及影响卷制精度的因素进行深入的研究。

(5) 在上料技术方面，我国应采用具有更快的数据处理能力、更高加工精度的开放式数控系统，自动送料机应面向柔性化和智能化的方向发展。

4 结论

陆上风电的发展趋于饱和，海上风电的兴起使海洋风电塔筒卷板机具有广阔的应用前景。随着海上风能的进一步开发和利用，对于海洋风电塔筒的需求会逐步增加，对其的制作精度要求也会越来越高。在市场需求巨大的背景下，用于风电塔筒制作的卷板机逐渐向精密化、自动化、智能化发展。海洋风电塔筒卷板机的进一步研究与发展，也将促进我国海洋风电的发展。我国卷板机行业要把握市场机遇，加快产品升级和创新，消化吸收国外先进技术，完成对海洋风电塔筒卷板机的改革创新。