楊文珺，陳小軍，劉 浩 ，王小建，劉 婷

(1.湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411102；2. 海上風力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411102)

0 引言

近兩年來，國內(nèi)外風電產(chǎn)品市場競爭日益加劇，風機產(chǎn)品的機型越來越多，對其質(zhì)量要求也越來越高。受國內(nèi)風電行業(yè)搶裝潮的影響，交貨期非常短。面對這種市場現(xiàn)況，如何能滿足用戶的多樣化需求，又在保障風電機組質(zhì)量的前提下降低成本并按期交貨，是每個主機廠家面臨的嚴峻考驗。

產(chǎn)品的通用化、系列化、模塊化(通常稱為“三化”)的標準化工作高級形式，是解決主機廠家質(zhì)量、成本、交貨期魔鬼三角的有效途徑。通過“三化”設(shè)計，可以以最少的品種規(guī)格、最少的工作量及人力滿足最多的需求，從而達到提高技術(shù)質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、縮短交貨周期、提升市場競爭力和用戶滿意度的目的[1]。

由于受風電場的地理環(huán)境、氣象資源、沿途道路、用戶需求等因素的影響，不同風電場的風力發(fā)電機組塔筒通常須定制化設(shè)計，從而形成一系列的塔筒，這些塔筒結(jié)構(gòu)類似，只是某些幾何參數(shù)不一樣[2]。因此湘電風能有限公司在塔筒系列化設(shè)計中引入?yún)?shù)化設(shè)計理念，以提高塔筒結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準化、自動化水平，從而提高工作效率。

1 參數(shù)化設(shè)計原理

參數(shù)化設(shè)計是新一代智能化、自動化設(shè)計的熱門手段之一，其基本思想是對于結(jié)構(gòu)類似但規(guī)格不同的產(chǎn)品，實際設(shè)計時的差別僅在于特定的若干關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的選擇，通過改動圖形的某一部分或某幾部分的尺寸，或修改已定義好的零件參數(shù)，自動完成對圖形中相關(guān)部分的改動，從而實現(xiàn)對圖形的驅(qū)動[3]。章雙全等[4]利用SolidWorks豐富的API函數(shù)接口，采用Visual Basic對其進行二次開發(fā)，生成風機塔筒結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計程序，從而實現(xiàn)塔筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)化自動建模，有效減少了設(shè)計人員的重復工作量。

參數(shù)化尺寸驅(qū)動的方式可以大大提高零部件設(shè)計和修改的速度，在產(chǎn)品的系列設(shè)計、相似設(shè)計等方面都具有較大的應用價值。參數(shù)化設(shè)計記錄了產(chǎn)品設(shè)計的全過程，能設(shè)計出一系列而非單一的在形狀和功能上具有相似性的產(chǎn)品或零件，同一系列產(chǎn)品的第二次設(shè)計可直接通過修改第一次設(shè)計來實現(xiàn)，從而縮短產(chǎn)品的整個開發(fā)周期。

2 風力發(fā)電機組塔筒參數(shù)化設(shè)計

2.1 塔筒參數(shù)化設(shè)計方法

風力發(fā)電機組塔筒參數(shù)化設(shè)計常用的方法有兩種：模塊法和程序法。模塊法是將不同機型或項目的同類零部件設(shè)置成多個模塊，每個零部件都設(shè)置多個模塊，塔筒總成裝配時根據(jù)實際要求選擇各個模塊進行組裝。程序法是利用程序創(chuàng)建零部件，這種方法需要將零部件的所有尺寸設(shè)置成全局變量。

我們對系列塔筒的結(jié)構(gòu)及構(gòu)成零部件進行了梳理和分析，塔筒主體結(jié)構(gòu)一般包括基礎(chǔ)段、底段、二段、三段、四段、頂段塔筒等幾大部分，如圖1所示。塔筒的部分零部件如高強度螺栓、法蘭接地零部件等經(jīng)整理已經(jīng)設(shè)計成通用件，建立了塔筒通用件庫，筒體、平臺、內(nèi)附件等零部件可進行參數(shù)化設(shè)計。如果我們只選取模塊法，塔筒筒體等部分零部件無法實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，而塔筒總成中零部件的所有尺寸很難整理完整；而程序法也不能完全適用于塔筒所有零部件的參數(shù)化設(shè)計。所以風力發(fā)電機組塔筒參數(shù)化設(shè)計采用模塊法與程序法相結(jié)合的方法。

圖1 塔筒主體結(jié)構(gòu)框圖

風力發(fā)電機組塔筒參數(shù)化設(shè)計要點在于無論采用何種方法都要將需要修改的尺寸設(shè)置成全局變量，其他相關(guān)尺寸根據(jù)邏輯關(guān)系與全局變量尺寸建立相應的方程式。在參數(shù)化設(shè)計中，根據(jù)不同機型或項目對全局變量參數(shù)創(chuàng)建好參數(shù)表格，完成全局變量參數(shù)修改，就能實現(xiàn)各個零部件及塔筒總成的參數(shù)化設(shè)計。

2.2 塔筒主體參數(shù)化設(shè)計

風力發(fā)電機組塔筒的一般設(shè)計程序為綜合風機的功率、風電場的風資源數(shù)據(jù)、葉片的翼型、傳動鏈的傳動形式、機艙輪轂等總重量等數(shù)據(jù)，經(jīng)過載荷計算與工程算法得到塔筒的主體參數(shù)，如塔筒的段數(shù)、高度、直徑、壁厚等。由于每個機型或項目筒體的外形尺寸會發(fā)生變化，因此須將這些尺寸設(shè)置成全局變量。

塔筒主體參數(shù)化設(shè)計中，每段塔筒節(jié)數(shù)等并不能確定，很難對所有外形建立模塊，因此不能采用模塊法；而通過工程算法計算后能夠得到筒體主體的所有尺寸，所以程序法會更適用于塔筒主體參數(shù)化設(shè)計。利用SolidWorks中的設(shè)計表格，將基本外形尺寸參數(shù)與Excel設(shè)計表相關(guān)聯(lián)，通過更改設(shè)計表中的尺寸參數(shù)實現(xiàn)塔筒主體的參數(shù)化設(shè)計，大大縮短了塔筒主體圖紙的生成時間。塔筒主體參數(shù)化設(shè)計如圖2所示。

圖2 塔筒主體參數(shù)化設(shè)計

2.3 塔筒平臺附件參數(shù)化設(shè)計

塔筒內(nèi)部附件設(shè)計構(gòu)造看似多而雜，其實布置原理基本一致，同種功率機型的塔筒內(nèi)附件設(shè)計相差不大。按照一定裝配規(guī)律，利用原始驅(qū)動尺寸來驅(qū)動其他變化的尺寸，產(chǎn)生一系列的平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計。

塔筒平臺參數(shù)化設(shè)計中，整理所有尺寸參數(shù)難度很大，因此不適合采用程序法；而同種機型塔筒平臺相差不大，因此可以采用模塊法將常用平臺設(shè)置成不同模塊會更智能。在平臺模塊中只需將平臺直徑設(shè)置為全局變量，根據(jù)邏輯關(guān)系與筒體外徑、壁厚等原始尺寸建立方程式，如塔筒某段平臺裝配水平軸塔筒外徑為L、壁厚為h，根據(jù)邏輯關(guān)系可以得到平臺外徑L平臺=(L/2-h-15)×2。螺栓孔數(shù)、物料口等開口尺寸、平臺梁尺寸等根據(jù)需求與全局變量建立相應的方程式，跟隨全局變量的改變而發(fā)生相應的改變。塔筒平臺附件參數(shù)化設(shè)計如圖3所示。

2.4 塔筒其他內(nèi)附件參數(shù)化設(shè)計

塔筒除了平臺之外的其他內(nèi)附件數(shù)量較多，裝配邏輯關(guān)系較為繁瑣，因此在參數(shù)化設(shè)計中最好的應對方法是盡可能將這些內(nèi)附件設(shè)計成類標準件。塔筒內(nèi)附件基本可分為兩種，一種是外形尺寸參數(shù)完全確定的內(nèi)附件，另一種是某個或者某幾個尺寸參數(shù)需變化的內(nèi)附件。塔筒內(nèi)附件參數(shù)化設(shè)計如圖4所示。

外形尺寸參數(shù)完全確定的內(nèi)附件，如滅火器支架、主電纜夾等，將其不同機型下的各種形式設(shè)置成多個模塊，每個模塊其外形參數(shù)完全確定，只需將其安裝要素設(shè)置成全局變量。在塔筒中類標準件的安裝要素包括安裝圓的直徑、安裝基準面角度、安裝高度等。因此將這類內(nèi)附件與塔筒焊接體的安裝邏輯關(guān)系梳理好就能完成它們的參數(shù)化設(shè)計。

圖3 塔筒平臺附件參數(shù)化設(shè)計

某個或者某幾個尺寸參數(shù)需變化的內(nèi)附件，如各段爬梯、照明電纜走線架等，其需在安裝要素設(shè)置成全局變量的基礎(chǔ)上再將變化的尺寸參數(shù)也設(shè)置成全局變量。這類內(nèi)附件還需注意在安裝時其裝配體下的某個零件和塔筒主體的關(guān)聯(lián)尺寸和要求，所以這類內(nèi)附件在參數(shù)化設(shè)計之后還需人為地去進行檢查及修改。

圖4 塔筒內(nèi)附件參數(shù)化設(shè)計

3 結(jié)語

湘電風能有限公司在進行通用化設(shè)計的前提下，在塔筒設(shè)計中應用參數(shù)化設(shè)計，規(guī)范了塔筒設(shè)計流程、設(shè)計方法，結(jié)合模塊化的設(shè)計方法，形成塔筒的系列化，極大地提高了風力發(fā)電機組新產(chǎn)品開發(fā)的速度和質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低了設(shè)計成本，提升了產(chǎn)品的市場競爭力，拓展了設(shè)計人員的設(shè)計思路，為風電機組產(chǎn)品的優(yōu)化升級或再開發(fā)設(shè)計提供了高效的便捷性和可操作性，也為提升風力發(fā)電機組的標準化水平提供了新的思路。