葉片UT檢測(cè)用掃查架的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

趙康南 趙明崗 孔志國(guó) 付文豪 孫立恒

（中材科技（邯鄲）風(fēng)電葉片有限公司，河北 邯鄲 056000）

風(fēng)電行業(yè)不斷朝著“低風(fēng)速、大容量”的目標(biāo)經(jīng)歷了10年的快速發(fā)展，風(fēng)電葉片在長(zhǎng)度方面不斷更新，5年內(nèi)葉片平均長(zhǎng)度由50m快速發(fā)展到百米級(jí)，作為風(fēng)電葉片力學(xué)結(jié)構(gòu)的主要承載部件，主梁、腹板的粘接尤為重要。

目前，行業(yè)內(nèi)葉片UT檢測(cè)多采用掃查架，人工分段檢測(cè)主梁和腹板的粘接情況，以保證葉片主梁、腹板的結(jié)構(gòu)和工藝性能[1]。該檢測(cè)設(shè)備主要包括2個(gè)結(jié)構(gòu)，即貼合在葉片外側(cè)的檢測(cè)探頭和中控處理設(shè)備。在檢測(cè)掃描作業(yè)過(guò)程中，需要配備2個(gè)檢測(cè)探頭的固定操作人員[2]。整個(gè)作業(yè)過(guò)程由1人負(fù)責(zé)操控電腦，1人在葉片外側(cè)刷涂檢測(cè)液，2人手抬檢測(cè)探頭貼合在葉片外側(cè)，共4人操作，造成了極大的人員浪費(fèi)。同時(shí)針對(duì)小腹板位置的檢測(cè)作業(yè)，還需要配第5名操作人員協(xié)助2名手抬檢測(cè)探頭的人員完成登高作業(yè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

因此本文探究了掃查架檢測(cè)優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)對(duì)檢測(cè)探頭進(jìn)行5個(gè)自由度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)探頭全方位移動(dòng)，取消手抬設(shè)備、協(xié)助登高的無(wú)效操作，優(yōu)化操作員工。

1 技術(shù)路線

1.1 自由度研究

為使掃查架滿足所有葉片的作業(yè)，需要保證該檢測(cè)探頭能夠?qū)崿F(xiàn)5個(gè)自由度的調(diào)整（包括3個(gè)平動(dòng)自由度和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度）[3-4]，如圖1所示，即葉片軸向的前/后移動(dòng)x、葉片弦向的左/右移動(dòng)y、葉片高度的上/下移動(dòng)z、葉片軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)α和葉片弦向的轉(zhuǎn)動(dòng)β。

圖1 自由度示意圖

1.2 檢測(cè)方式

對(duì)掃查架檢測(cè)優(yōu)化技術(shù)的檢測(cè)方式進(jìn)行模塊劃分，主要分為平移方式研究、升降方式研究以及檢測(cè)探頭固定方式研究。

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，優(yōu)化后的掃查架可實(shí)現(xiàn)2人操作，作業(yè)流程如下。1）人工推動(dòng)掃查架，將其移動(dòng)到主梁（或副梁）的正前方。2）調(diào)整檢測(cè)探頭的軸向角度，保證檢測(cè)探頭2組吸盤的連接線與主梁（或副梁）軸向拼接縫平行。3）調(diào)整檢測(cè)探頭的弦向角度，使檢測(cè)探頭的吸盤完全平行與主梁（或副梁）。4）開(kāi)啟真空泵閥門，將檢測(cè)探頭固定通過(guò)真空負(fù)壓吸附在葉片表面。5）開(kāi)始檢測(cè)。該段主梁（或副梁）檢測(cè)完成后，重新回到步驟1，開(kāi)始下一段檢測(cè)。改善前和改善后的檢測(cè)掃描示意圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 改善前檢測(cè)掃描示意圖

圖3 改善后檢測(cè)掃描示意圖

1.3 平移模塊

平移模塊決定了檢測(cè)設(shè)備的移動(dòng)效率，其影響因素較多，包括地面硬度、地面平整度等。采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B焊接制作輔助工具。Q235B不經(jīng)過(guò)熱處理，焊接性能、塑性和韌性均較好，并有一定的強(qiáng)度，能夠滿足檢測(cè)設(shè)備的承載需求[5]。為平移模塊配備4個(gè)萬(wàn)向輪（帶剎車），實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備整體在水平方向上的軸向移動(dòng)（x向）和弦向移動(dòng)（y向）。在距離地面900mm高的位置焊接把手。把手采用DN20無(wú)縫鋼管，在便于員工操作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的轉(zhuǎn)移。針對(duì)平移方式的研究，還需同時(shí)考慮伸縮性和旋轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)探頭的90°旋轉(zhuǎn)功能、底盤伸縮功能，保證在任意寬度空間內(nèi)均能完成葉片檢測(cè)[6]。

1.4 升降模塊

升降方式?jīng)Q定了檢測(cè)設(shè)備在主梁、副梁間的調(diào)整效率，是保證檢測(cè)探頭能夠適用于葉片主梁和副梁各種高度的物質(zhì)基礎(chǔ)。經(jīng)調(diào)研，升降空間控制在1.5m～4.5m，可以滿足在產(chǎn)葉片的檢測(cè)要求[7]。

升降方式需要保證員工操作的便捷性、升降效率的高效性。升降方式整體包括液壓升降和動(dòng)滑輪，使用流程如下。1）通過(guò)踩踏電動(dòng)液壓升降踏板，促使液壓缸活塞上升或下降，帶動(dòng)動(dòng)滑輪組上升或下降，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)探頭上升或下降。2）在液壓升降外側(cè)設(shè)計(jì)一組動(dòng)滑輪，將固定支撐架作為動(dòng)滑輪的支點(diǎn)，活塞缸末端作為動(dòng)滑輪的動(dòng)力施加點(diǎn)，檢測(cè)探頭的接口作為動(dòng)滑輪的阻力施加點(diǎn)。通過(guò)活塞缸升降帶動(dòng)動(dòng)滑輪升降，使檢測(cè)探頭的升降實(shí)現(xiàn)翻倍，提高檢測(cè)探頭的升降效率。升降示意圖如圖4所示。

圖4 升降示意圖

1.5 探頭固定架檢測(cè)

葉片在立放姿態(tài)下做檢測(cè)，由于各葉片翼型和存放支架高度存在差異，因此主梁位置存在不同的軸向傾角α。由于葉片主梁和副梁在各截面的弧度不同，因此主梁或副梁位置存在不同的弦向傾角β。

檢測(cè)探頭固定過(guò)程中，需要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)探頭的2個(gè)自由度，包括軸向轉(zhuǎn)動(dòng)α和弦向轉(zhuǎn)動(dòng)β[8]。通過(guò)調(diào)整2個(gè)自由度，使檢測(cè)探頭適用于葉片立放姿態(tài)下的主梁、副梁檢測(cè)。

1.5.1 軸向轉(zhuǎn)動(dòng)α

軸向轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)用于單根主梁（或副梁）在葉片軸向產(chǎn)生的高、低落差，軸向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一側(cè)通過(guò)銷軸與支架主體連接，另一側(cè)通過(guò)“T”形絲杠升降實(shí)現(xiàn)整體轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)角度可適用于各型號(hào)的葉片。軸向轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖如圖5所示。

圖5 軸向轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖

1.5.2 弦向轉(zhuǎn)動(dòng)β

弦向轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)用于單根主梁（或副梁）在葉片弦向產(chǎn)生的前、后差或主梁檢測(cè)切換副梁檢測(cè)產(chǎn)生的弦向前、后差[9]。弦向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)“T”形絲杠的升降運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)2個(gè)萬(wàn)向聯(lián)軸器及其配套中間軸整體轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)定位的前、后移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)支架整體的弦向轉(zhuǎn)動(dòng)。弦向轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖如圖6所示。

1.5.3 結(jié)構(gòu)分析

由于檢測(cè)探頭固定支架的配件較多，支架整體對(duì)連接位置產(chǎn)生的力矩較大，檢測(cè)探頭的轉(zhuǎn)動(dòng)又較頻繁且屬于精密檢測(cè)儀器，成本較高，因此對(duì)檢測(cè)探頭固定支架的穩(wěn)定性要求較高。為避免支架因承載重物頻繁動(dòng)作，造成塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法正常作業(yè)或檢測(cè)探頭損壞，進(jìn)行固定支架設(shè)計(jì)時(shí)，本文利用三維軟件solidworks中的simulation模塊對(duì)其進(jìn)行有限元分析（以連接位置作為固定夾具，在檢測(cè)探頭安裝位置施加100kg載荷），最大應(yīng)力為133.8MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度235MPa，安全系數(shù)為1.7。滿足日常檢測(cè)要求。固定支架有限元分析如圖7所示。

圖7 固定支架有限元分析

2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

將UT檢測(cè)設(shè)備安裝到設(shè)計(jì)好的掃查架上，連續(xù)檢測(cè)20支葉片，每個(gè)型號(hào)的在產(chǎn)葉片都應(yīng)在檢測(cè)葉片中。依次統(tǒng)計(jì)UT掃描設(shè)備的實(shí)際操作人數(shù)、檢測(cè)效率以及檢測(cè)結(jié)果的有效性，以驗(yàn)證掃查架的有效性和實(shí)用性。

2.1 實(shí)際操作人數(shù)統(tǒng)計(jì)

使用組裝好的掃查架對(duì)各型號(hào)葉片的主梁腹板區(qū)域進(jìn)行UT檢測(cè)，在不借助其他資源的前提下實(shí)現(xiàn)了2人操作，員工A負(fù)責(zé)設(shè)備操作+設(shè)備轉(zhuǎn)移，員工B負(fù)責(zé)刷涂檢測(cè)液+設(shè)備轉(zhuǎn)移。各型號(hào)改善前、后的檢測(cè)人員統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 掃查架使用前、后人員統(tǒng)計(jì)（使用后可減少2名操作人員）

2.2 檢測(cè)效率統(tǒng)計(jì)

由2人操作，在各型號(hào)葉片上進(jìn)行了為期2個(gè)月的試驗(yàn)，試驗(yàn)期間完全無(wú)其他人員協(xié)助，檢測(cè)葉片為日常產(chǎn)出葉片，檢測(cè)環(huán)境無(wú)任何優(yōu)勢(shì)條件。檢測(cè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2和圖8所示。

表2 檢測(cè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果（比較使用前、后的平均檢測(cè)時(shí)間，無(wú)明顯差異）

圖8 檢測(cè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)示意圖

2.3 UT檢測(cè)結(jié)果

由3名專業(yè)認(rèn)證的檢測(cè)人員分別對(duì)檢測(cè)掃描結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)3個(gè)分析結(jié)果進(jìn)行綜合驗(yàn)證，最終確認(rèn)檢測(cè)結(jié)果滿足葉片行業(yè)的使用要求。檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

本文對(duì)新型“掃查架”的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了有效論證，通過(guò)5個(gè)自由度的調(diào)整實(shí)現(xiàn)掃描探頭與葉片的無(wú)縫貼合。通過(guò)平移模塊、升降模塊以及檢測(cè)探頭固定架模塊的功能、原理介紹，論證了新型“掃查架”實(shí)施的可行性。應(yīng)用新型“掃查架”后，對(duì)使用前/后的人員消耗、效率統(tǒng)計(jì)和效果進(jìn)行了比較和分析，結(jié)果為檢測(cè)過(guò)程可以優(yōu)化2名操作人員，大大降低人工成本；應(yīng)用新型“掃查架”可實(shí)現(xiàn)2人操作，檢測(cè)效率和檢測(cè)結(jié)果無(wú)任何影響。最終驗(yàn)證了將新型“掃查架”應(yīng)用到生產(chǎn)過(guò)程中，不僅可以減少操作員工，還可以降低風(fēng)電葉片UT檢測(cè)的成本。

在平價(jià)上網(wǎng)的時(shí)代，降本增效是葉片企業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。本項(xiàng)目的技術(shù)研究，建立了一套完善的掃查架檢測(cè)方案，為后續(xù)掃查架檢測(cè)優(yōu)化為1名操作員工提供理論支持和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)檢測(cè)效率的提升還可滿足客戶檢測(cè)需求，極大地提高客戶滿意度。