袁帶英
( 四川建筑職業(yè)技術(shù)學院, 四川 德陽 618000)
隨著風電市場的競爭日趨激烈,風力發(fā)電機組塔筒的研發(fā)、設(shè)計周期的不斷減短,同時,為滿足各種招、投標的需要,以最短時間設(shè)計出符合要求的塔筒已成為必然[1-2]。 而長期以來,塔筒設(shè)備的設(shè)計以傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計為主,主要依靠工程設(shè)計人員的手工設(shè)計計算,其開發(fā)過程事物繁雜、效率低、研發(fā)周期長。 如何解決這個矛盾,將成為企業(yè)贏得市場以及提高設(shè)計響應能力的關(guān)鍵。
風電機組塔筒的筒體展開計算經(jīng)常會進行許多復雜繁瑣的設(shè)計計算, 如果用普通的方法, 不僅費時而且易出錯[3]。 目前,還沒有較好的專業(yè)軟件來處理,用編程的方式雖然可以解決某些具體問題但過于復雜。 因此, 需要尋找有效的手段提高設(shè)計計算的速度, 使一般的設(shè)計人員能方便地解決機械設(shè)計中的實際問題。 Excel是目前功能最強大、 技術(shù)最先進、 使用最方便、 應用最廣泛的智能化電子表格軟件,主要是應用于經(jīng)濟統(tǒng)計和財務(wù)報表及其數(shù)據(jù)的計算處理, 其強大的數(shù)據(jù)處理功能、 圖表功能及數(shù)據(jù)庫管理功能也可為機械設(shè)計提供有力的幫助,從而減少設(shè)計的計算工作量,提高計算的準確性[4]。
制造風機塔筒筒體所用的鋼板其各項理化性能指標應符合相關(guān)國家標準要求, 且需滿足I 級無損探傷要求[5],厚度公差需滿足EN 10029 B 級要求[6]。 筒體鋼板大都是定制鋼板,按照設(shè)計圖紙要求將鋼板尺寸計算無誤后,然后鋼廠按照訂料尺寸進行軋制生產(chǎn),最后發(fā)給用戶。 并且每一張鋼板基本沒有互換性,每一張重量都在6 t~20 t 之間,一旦出現(xiàn)差錯,后果無法設(shè)想。 另外,鋼板規(guī)格都很大,如果計算時將余量放大,將大大增加成本[7]。 既要保證鋼板下料,又要降低成本,所以對鋼板尺寸計算的下料編程準確性有著極高的要求。
風機塔筒一般由若干塔筒段組成,塔筒段有錐段。 有直段,直段可按圓柱環(huán)計算,難度不大,在此不作詳細介紹。 現(xiàn)根據(jù)圖紙已知條件利用數(shù)學公式, 對塔筒錐段鋼板下料尺寸進行軟件編程計算。下面以某塔筒錐段筒體為例,運用Excel軟件進行鋼板尺寸計算編程。
塔筒筒壁大多為圓錐回轉(zhuǎn)面筒狀。 塔筒筒壁具有:結(jié)構(gòu)簡單、同類型結(jié)構(gòu)大體相同、計算過程基本固定、尺寸變化較明顯等特點[7]。
圖1 塔筒段筒節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic of the cylindrical section of the tower segment
圖2 塔筒錐段結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic of the tower cone section
塔筒段每個筒節(jié)的小端外徑和大端外徑可由下列遞推公式計算出:
每個筒節(jié)的板料展開參數(shù),可由下述公式計算得到
圖3 筒節(jié)正圓錐臺Fig. 3 Cone frustum of the cylindrical section
圖4 圓錐臺展開圖Fig. 4 Cone frustum unfolded
整錐臺高:
上部錐臺高:
整圓錐展開半徑:
上部圓錐展開半徑:
展開料夾角:
展開料大端弧長:
展開料小端弧長:
展開料大端弦長:
展開料小端弦長:
大小端弦心距:
展開料最大寬度:
其中,D為大端中徑;d為小端中徑;h為錐臺兩端中心線點間垂直距離。
已知塔筒段上、下兩端的外徑,塔筒段總高度( 不含法蘭厚度的垂直高度),以及每個筒節(jié)的垂直高度和板厚,如圖5所示。
由上述已知參數(shù),按照數(shù)學計算式( 1),通過Excel編程, 計算出每個筒節(jié)的大端外徑和小端外徑,如表1所示。
圖5 塔筒段示意圖( mm)Fig. 5 Tower segment schematic( mm)
表1 塔筒段筒節(jié)外徑計算表Tab. 1 Table of outer diameters of the cylindrical section of the tower segment mm
根據(jù)表1計算所得到的數(shù)據(jù),根據(jù)式( 2)至( 12)即可計算出筒節(jié)板料展開的理論長度A和理論寬度L,如表2所示。
將計算得到的展開小半徑r, 展開大半徑R,展開錐角α,輸入數(shù)控火焰切割機進行切割下料,就能準確無誤地對鋼板進行下料, 也就是表2中的紅色實線區(qū)域。
訂料時為了保證下料尺寸,經(jīng)過實踐檢驗,在板料展開的理論長度和理論寬度上分別加15~20 mm,即為訂料尺寸[8]。 還可計算出相關(guān)重量信息,公式如下:
展開板料理論值:
訂料重量:
表2 筒節(jié)板料展開計算表Tab. 2 Table of the cylindrical section calculation unfolded
式中,ρ為鋼板密度。
風電機組塔筒的設(shè)計計算具有一定規(guī)律性, 首次編制設(shè)計計算程序時, 較手工計算并不顯其很大的優(yōu)越性, 但一經(jīng)完成并作為文件存儲下來, 以后再遇到類似計算時, 便可很快地得出正確的計算結(jié)果[9]。Excel在風電機組塔筒筒體展開中的應用,為設(shè)計人員提供了一種非常方便的塔筒筒體參數(shù)化設(shè)計工具,大大提高設(shè)計效率,保證設(shè)計質(zhì)量[10],使工程技術(shù)人員擺脫繁重的重復勞動,具有較好的實用性,有效提高了設(shè)計響應能力。
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