風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙罩、輪轂罩的行業(yè)現(xiàn)狀分析

本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙罩、輪轂罩的行業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)于目前應(yīng)用在機(jī)艙罩、輪轂罩的主流復(fù)合材料成型工藝進(jìn)行了介紹，同時(shí)在主流復(fù)合材料成型工藝過(guò)程中進(jìn)行了不斷的研究、優(yōu)化和改進(jìn)，總結(jié)形成了一些新經(jīng)驗(yàn)、新技術(shù)進(jìn)行分享。

1.引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙罩、輪轂罩是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的外殼防護(hù)結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙罩、輪轂罩作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要部件，覆蓋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的設(shè)備和電氣組件，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在惡劣的氣象環(huán)境中正常工作，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備和人員不受風(fēng)、雪、雨、鹽霧、紫外線輻射等外部環(huán)境因素的侵害。

圖1 風(fēng)電機(jī)艙罩及輪轂罩

由于機(jī)艙罩、輪轂罩長(zhǎng)期遭受自然界及外界環(huán)境的侵襲，故對(duì)其強(qiáng)度和剛度的要求比較高，同時(shí)要有耐候性、抗腐蝕性、抗溫差性、抗老化性、抗疲勞性、抗紫外線輻射等性能，除此之外，考慮到整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的承重，要求機(jī)艙罩重量輕、強(qiáng)度高、承載能力大。因此，能夠滿足上述要求的新型復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙罩、輪轂罩上的應(yīng)用開始得到廣泛的關(guān)注。

2.行業(yè)現(xiàn)狀分析

由于機(jī)艙罩、輪轂罩生產(chǎn)技術(shù)工藝相對(duì)透明，所以國(guó)內(nèi)機(jī)艙罩、輪轂罩行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)比較充分，較有規(guī)模的生產(chǎn)廠家在30家左右，境內(nèi)的外資風(fēng)電整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)也全都在國(guó)內(nèi)采購(gòu)相關(guān)產(chǎn)品，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)普遍認(rèn)可了國(guó)內(nèi)品牌的技術(shù)能力和質(zhì)量水平。

目前國(guó)內(nèi)機(jī)艙罩、輪轂罩廠家大致分為三個(gè)梯隊(duì)，第一梯隊(duì)以格瑞德、株丕特、山東雙一等為代表，技術(shù)能力強(qiáng)、質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)高、產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)異;第二梯隊(duì)以天津優(yōu)利康達(dá)等為代表，產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格，產(chǎn)品品質(zhì)比較優(yōu)異，市場(chǎng)占有份額較高;第三梯隊(duì)由一些客戶源比較單一，年出貨量比較少的其他廠家組成。由于近些年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)進(jìn)入低速增長(zhǎng)階段，風(fēng)電行業(yè)整體利潤(rùn)率持續(xù)下降，作為配套產(chǎn)業(yè)的機(jī)艙罩制造也受到較大影響，第一梯隊(duì)廠家產(chǎn)品價(jià)格相較于其他廠家偏高，但憑借其過(guò)硬的技術(shù)實(shí)力和嚴(yán)苛的質(zhì)量管理，獲得了更多高端客戶的認(rèn)可，訂單來(lái)源較廣，年出貨量比較有保障;而第二梯隊(duì)廠家在保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上對(duì)工廠的整體投入熱情不高，采用降價(jià)策略以爭(zhēng)取更多的訂單;第三梯隊(duì)廠家則緊守固有客戶，開發(fā)新客戶和擴(kuò)大再生產(chǎn)動(dòng)力不足，由于訂單不穩(wěn)定，很難保證熟練工人隊(duì)伍的穩(wěn)定和持續(xù)生產(chǎn)，往往導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量水平較差，售后服務(wù)成本增高，生存日益艱難。目前由國(guó)能聯(lián)合動(dòng)力自主設(shè)計(jì)、研發(fā)并生產(chǎn)的機(jī)艙罩、輪轂罩產(chǎn)品也開始進(jìn)入研發(fā)周期，并將于年內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)。

從圖表2可以看出，第一梯隊(duì)廠家主要的客戶為國(guó)內(nèi)占有市場(chǎng)份額較大主機(jī)廠家金風(fēng)、聯(lián)合動(dòng)力、華銳等，同時(shí)國(guó)外主機(jī)品牌同樣認(rèn)可和采購(gòu)。第二、第三梯隊(duì)的機(jī)艙罩廠家客戶相對(duì)單一，市場(chǎng)份額相對(duì)較小。

3.新工藝研究

復(fù)合材料成型工藝是復(fù)合材料工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和必要條件。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)展，機(jī)艙罩、輪轂罩常用的成型工藝有手糊成型工藝、噴射成型工藝、真空袋成型工藝、LRTM成型工藝等，目前多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)采用較為成熟的真空袋成型工藝，而以雙模具為主要設(shè)計(jì)理念的輕型樹脂傳遞模塑工藝(LRTM)也日漸成熟，LRTM由于兼具質(zhì)優(yōu)、環(huán)保和保護(hù)勞動(dòng)者的多方面優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)發(fā)展的主流方向。

3.1主要工藝簡(jiǎn)介

真空袋膜成型工藝介紹

真空袋成型工藝是將產(chǎn)品密封在模具和真空袋之間，通過(guò)抽真空對(duì)產(chǎn)品加壓使產(chǎn)品更加密實(shí)、力學(xué)性能更好的成型工藝。真空袋膜工藝分為干法和濕法兩種。濕法是將手糊或者噴射成型未固化的制品，加蓋一層真空袋***處于薄膜和模具之間，密封周邊，抽真空，使制品中的氣泡和揮發(fā)物排除。干法是將增強(qiáng)玻纖鋪放到模具上，將真空袋膜與模具周邊密封，在抽真空的同時(shí)將樹脂從模具的另一端由管路導(dǎo)入到模具中，將增強(qiáng)玻纖浸潤(rùn)。兩種工藝的區(qū)別在于干法的玻纖含量可以做的更高，成型產(chǎn)品質(zhì)量更好，重量更輕。

圖表3 真空袋膜成型工藝真空灌注

真空導(dǎo)流成型技術(shù)的特點(diǎn)：1、可以制造單面光的制品;2、成型效率一般，適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn);3、為閉模操作，不污染環(huán)境，不損害工人健康;4、增強(qiáng)材料可以任意方向鋪放，容易實(shí)現(xiàn)按制品受力狀況鋪放增強(qiáng)材料;5、一次性耗材較多，垃圾回收是個(gè)問題，成本相對(duì)高。

LRTM成型工藝

輕型樹脂傳遞模塑工藝(RTM一Light)簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)RTM,是一種新型的復(fù)合材料大型制件的成型技術(shù)，相較于真空袋膜單模具工藝，它是一種雙模具的成型工藝，上下模具具有一個(gè)寬約100mm的剛性周邊，由雙道密封帶構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的密封區(qū)，只要一抽真空模具即閉合，然后對(duì)模腔內(nèi)抽真空，利用模內(nèi)的負(fù)壓和較低的注射壓力將樹脂注入模具，使樹脂滲入預(yù)先鋪設(shè)的增強(qiáng)纖維或預(yù)制件中。它主要原理為首先在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)好的增強(qiáng)材料預(yù)成型體，采用注射設(shè)備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔，模具具有周邊密封和緊固以及注射從排氣系統(tǒng)以保證樹脂流動(dòng)順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤(rùn)纖維，是在真空狀態(tài)下排除纖維增強(qiáng)體中的氣體，通過(guò)樹脂的流動(dòng)，滲透，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維及織物的浸漬，并在室溫下進(jìn)行固化，形成一定的樹脂及纖維比例的工藝方法。

圖表4 LRTM成型工藝工藝真空灌注

L-RTM工藝的特點(diǎn)：1、由于是采用雙磨具，可以制造兩面光的制品;2、成型效率高，適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn);3、L-RTM為閉模操作，不污染環(huán)境，不損害工人健康;4、增強(qiáng)材料可以任意方向鋪放，容易實(shí)現(xiàn)按制品受力狀況例題鋪放增強(qiáng)材料;5、原材料及能源消耗少。

LRTM工藝中，需要對(duì)模具內(nèi)腔注入樹脂具有一定的壓力和流速，因此要使模具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度大到足夠在注射壓力下不破壞、不變形。通常采用帶鋼管支撐的夾芯復(fù)合材料，或用數(shù)控機(jī)床加工的鋁?；蜾撃?，這使制造費(fèi)用增大，只有對(duì)產(chǎn)量足夠大的產(chǎn)品，才能抵消模具費(fèi)用。此外為了閉合模具，要使周邊有足夠的箝緊能力或使用閉合模具的壓力系統(tǒng)。上述因素都導(dǎo)致了了LRTM工藝模具的選材困難，投資成本昂貴，該工藝在目前階段實(shí)際應(yīng)用中還存在一定局限性。

3.2新工藝、新技術(shù)的研究

隨著機(jī)艙罩、輪轂罩產(chǎn)品客戶需求的不斷提升，各生產(chǎn)廠家在原有成熟工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行了不斷的優(yōu)化改進(jìn)，新技術(shù)、新設(shè)計(jì)不斷出現(xiàn)，這也極大豐富了產(chǎn)品多樣性，滿足了不同客戶定制化需求。

有色樹脂的應(yīng)用

有色樹脂是一種新型原材料，該樹脂與普通樹脂成分相同，按照成品要求加入定量的調(diào)色劑，真空灌注固化成型后內(nèi)表面直接達(dá)到成品顏色要求。該類型樹脂產(chǎn)品成型后內(nèi)表面顏色美觀，能夠有效避免后期內(nèi)表面噴涂油漆而產(chǎn)生的壁掛、顏色不均等現(xiàn)象，能夠有效提升表觀質(zhì)量。使用有色樹脂進(jìn)行機(jī)艙罩的整體灌注，相對(duì)于普通樹脂進(jìn)行的整體灌注的后期噴涂處理減少了一些工序，但對(duì)灌注工藝要求增加。如圖5、6所示增加有色樹脂相對(duì)比普通樹脂的使用能夠有效的避免噴漆等后處理產(chǎn)生的壁掛、色差不均、內(nèi)壁漏光和漆面剝落等缺陷，提升了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，降低了成本。

目前該技術(shù)一般在國(guó)外風(fēng)機(jī)品牌如維斯塔斯、西門子、歌美颯等產(chǎn)品上應(yīng)用較多。

圖5 使用有色樹脂效果

圖6 使用普通樹脂噴漆后處理效果

內(nèi)部加強(qiáng)方式的優(yōu)化

傳統(tǒng)機(jī)艙罩玻璃鋼強(qiáng)度的加強(qiáng)方式一般采用機(jī)艙罩層鋪預(yù)埋聚氨酯泡沫板條進(jìn)行一體樹脂灌注的方式進(jìn)行，在機(jī)艙罩內(nèi)部制作網(wǎng)格狀加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)。新型工藝在保證機(jī)艙罩不降低強(qiáng)度的同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)機(jī)艙罩減重的目的，改用內(nèi)部層鋪PVC芯材進(jìn)行加強(qiáng)的方式。芯材加強(qiáng)方式主要是在機(jī)艙罩、輪轂罩層鋪時(shí)大面積鋪設(shè)芯材，并相應(yīng)的減少玻纖布的層鋪數(shù)量，同時(shí)取消加強(qiáng)筋，達(dá)到減重的目的，通過(guò)表7的對(duì)比可以清楚地看到這一變化。(表格數(shù)據(jù)源自國(guó)內(nèi)某主流主機(jī)廠2MW機(jī)艙罩)：

從數(shù)據(jù)上看，通過(guò)更改機(jī)艙罩內(nèi)部強(qiáng)度增強(qiáng)方式降低了產(chǎn)品的鋪設(shè)的厚度，從而降低了產(chǎn)品重量。綜合對(duì)比分析有，通過(guò)芯材鋪設(shè)方式進(jìn)行機(jī)艙罩內(nèi)部加強(qiáng)方式較聚氨酯加強(qiáng)筋加強(qiáng)方式鋪設(shè)厚度降低，操作簡(jiǎn)單，工藝性較為簡(jiǎn)潔，容易實(shí)現(xiàn)，成本略有增加，卻實(shí)現(xiàn)了重量的大幅降低，生產(chǎn)出的成品由于內(nèi)部空間更大，在風(fēng)機(jī)整機(jī)安裝過(guò)程中變的更容易，減少了內(nèi)部干涉的發(fā)生。

圖8 使用聚氨酯加強(qiáng)筋加強(qiáng)方式

圖9 使用芯材加強(qiáng)方式

分體式設(shè)計(jì)的出現(xiàn)

由于機(jī)艙罩產(chǎn)品外形尺寸大，單體大面積玻璃鋼產(chǎn)品變形機(jī)率高，并且運(yùn)輸不便，為了解決上述問題，出現(xiàn)了單元分體式設(shè)計(jì)(如圖10所示)，將機(jī)艙罩合理地設(shè)計(jì)成多個(gè)單元進(jìn)行生產(chǎn)制造，疊放運(yùn)輸。其突出特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

(1)小單元能夠有效的控制生產(chǎn)工藝，更好的保證產(chǎn)品質(zhì)量;

(2)生產(chǎn)的分體單元變形較小，充分體現(xiàn)了通配性和互換性;

(3)合理壓縮運(yùn)輸空間，運(yùn)輸快捷方便，提高提高運(yùn)輸效率，大大降低運(yùn)輸成本;

但分體式設(shè)計(jì)同時(shí)也存在缺點(diǎn)，一方面由于單位面積減小，絕對(duì)數(shù)量增加，整體面積增加，另一方面不同單元組合在一起對(duì)密封性能也提出了更高要求，合力導(dǎo)致生產(chǎn)成本及檢測(cè)成本增加約40%。綜合計(jì)算生產(chǎn)成本增加及運(yùn)輸成本節(jié)約兩個(gè)因素，目前該設(shè)計(jì)在超長(zhǎng)運(yùn)距的海外運(yùn)輸中應(yīng)用較多。

圖10 某知名廠家機(jī)艙罩分體式產(chǎn)

4.結(jié)論和展望

隨著風(fēng)電機(jī)艙罩、輪轂罩行業(yè)的不斷發(fā)展和國(guó)內(nèi)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，要求機(jī)艙罩、輪轂罩產(chǎn)品同時(shí)具備設(shè)計(jì)新、性能高、質(zhì)量?jī)?yōu)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。為了生產(chǎn)高精度、高質(zhì)量和高效率的產(chǎn)品，機(jī)艙罩、輪轂罩成型工藝技術(shù)就需要不斷的創(chuàng)新、改進(jìn)和優(yōu)化，從傳統(tǒng)的單一型走向復(fù)合型、多功能型，逐漸變得綜合化、多樣化和科學(xué)化，新材料的應(yīng)用也會(huì)不斷地充實(shí)其中，發(fā)揮出更高的價(jià)值。加快機(jī)艙罩、輪轂罩成型技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，是適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，參與全球競(jìng)爭(zhēng)的必然要求。