張騰波，武擁軍，鄭 磊，楊 揚(yáng)，周樹偉

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力建設(shè)第一工程有限公司，江蘇 南京 210001；2.國(guó)華（東臺(tái)）風(fēng)電有限公司，江蘇 鹽城 224200）

0 引言

隨著全球氣候變化和環(huán)保問(wèn)題日益凸顯，風(fēng)電作為清潔的可再生能源受到越來(lái)越多國(guó)家的關(guān)注，尤其我國(guó)西部地區(qū)及東部海上具有風(fēng)電資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高、適合大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。由于風(fēng)、雨侵蝕和日曬等環(huán)境因素影響，風(fēng)電發(fā)電機(jī)的葉片在使用一定周期后強(qiáng)制退役，以及由于技術(shù)進(jìn)步所致的單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組擴(kuò)容，越來(lái)越多的風(fēng)電葉片面臨退役后的處理和再利用問(wèn)題。從2000 年開始退役風(fēng)電葉片數(shù)量逐年遞增，保守估計(jì)，到2040 年總計(jì)約有2.7 萬(wàn)套風(fēng)機(jī)面臨退役，658 萬(wàn)噸葉片需被處理再利用[3]。

風(fēng)機(jī)退役后，大多數(shù)機(jī)組的部件基本可回收，其中包括基礎(chǔ)、塔筒、齒輪箱和發(fā)電機(jī)。而風(fēng)電葉片主要由玻璃纖維或碳纖維、環(huán)氧樹脂、巴沙木等構(gòu)成，目前在我國(guó)通常都是采用垃圾掩埋或焚燒處理方式，對(duì)人類生活和環(huán)境會(huì)造成巨大傷害。“中華人民共和國(guó)固體廢物污染環(huán)境防治法”于2020 年9 月1 開始實(shí)施，退役風(fēng)電葉片被列入大宗固體廢棄物目錄，廢棄后的處理要求經(jīng)濟(jì)環(huán)保，有賬可查，不得擅自傾倒、堆放、丟棄和遺撒[4]。風(fēng)電葉片的回收行業(yè)，也將圍繞隨著《固廢法》的深入推進(jìn)，快速成為環(huán)保領(lǐng)域的朝陽(yáng)行業(yè)。

目前對(duì)于退役風(fēng)電葉片的處理方法有焚燒、熱解、裂解、定向解聚、粉碎和破切后再利用等方式。焚燒法熱值低，燃燒不完全，容易結(jié)焦和產(chǎn)生有害氣體；熱解和裂解法能耗高，產(chǎn)品雜質(zhì)多，不易提純；定向解聚技術(shù)尚不成熟，成本高，廢液難處理，提純困難，產(chǎn)品附加值低；粉碎法一般是將風(fēng)電葉片粉碎后進(jìn)行焚燒或者作為建筑水泥、瀝青等材料的添料，經(jīng)濟(jì)效益不高；切割再利用法對(duì)于刀具和專用設(shè)備要求較高，而且須有穩(wěn)定的下游市場(chǎng)?？傮w來(lái)看，焚燒、熱解、定向解聚等化學(xué)處理方法仍有許多技術(shù)難點(diǎn)難以突破，增值利用條件尚不具備；粉碎、切割的物理加工方法可行性較高，二次污染較少，但需要配合一定的專用加工裝備[5-8]。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成了風(fēng)電葉片的骨架（主梁材料），力學(xué)強(qiáng)度高、防水、耐磨、耐腐蝕、耐久性好，葉片完成整個(gè)使用壽命周期，退役后的葉片仍保持其初始力學(xué)性能的95%（平行于玻纖布方向靜曲強(qiáng)度約為1000 MPa），力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于木材等材料，因此退役風(fēng)電葉片主梁材料仍具有非常高的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)將其應(yīng)用于可充分發(fā)揮其殘余性能的場(chǎng)合及產(chǎn)品[9]。例如用于制造循環(huán)包裝的材料，其各項(xiàng)性能均滿足制備循環(huán)包裝的要求，而且耐腐蝕、防水、耐久性好，壽命為一般木質(zhì)、鋼質(zhì)循環(huán)包裝的2-3 倍，可節(jié)約大量的木材和鋼材，具有非常顯著的環(huán)保效益。

但是要利用好退役風(fēng)電葉的主梁材料，需要對(duì)其進(jìn)行切割，而葉片主梁材料強(qiáng)度高，具纖維特性，各向異性且厚度不均。從目前切割技術(shù)來(lái)看，多使用無(wú)齒鋸和金剛石薄砂輪進(jìn)行切割，其切削原理是“磨削”而非“切削”，每齒切削量小，能耗大，發(fā)熱量高。這就造成刀具壽命短（100 m 左右），效率極低（小于1 m/min），砂輪易破碎造成危險(xiǎn)，而且容易夾鋸，所以只適用于小規(guī)模手工切割，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

因此本文充分考慮葉片主梁材料性質(zhì)，研發(fā)適用于工業(yè)化生產(chǎn)的專用切割鋸片，解決葉片切割工藝中最關(guān)鍵的問(wèn)題，為退役風(fēng)機(jī)葉片綠色增值綜合利用提供一定的實(shí)踐基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用的試驗(yàn)材料為1.5 MW 的風(fēng)機(jī)葉片，單支重量為5.8 t，長(zhǎng)度為37.5 m，主梁的密度約為1.7 ～2.0 g/cm3。鋸片直徑為400 mm，齒數(shù)為96，切割轉(zhuǎn)速為3300 r/min，進(jìn)給速度為1 ～1.5 m/min。鋸片的基材為50Mn2V，鋸齒為人造聚晶金剛石（PCD），鋸齒基體為硬質(zhì)合金，鋸齒焊接形式為銅銀釬焊。

1.2 測(cè)試方法

按照GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》中力學(xué)性能的測(cè)試方法的規(guī)定，使用風(fēng)機(jī)葉片主梁縱向切割機(jī)（FCZJ-250-1，北京豐策科技有限公司）將葉片主梁鋸成250 mm × 50 mm ×12 mm 尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試件，采用三點(diǎn)彎曲法，在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（MMW-50 型，濟(jì)南耐爾實(shí)試驗(yàn)機(jī)有限公司）上中測(cè)量。測(cè)試方向分為兩個(gè)方向，一個(gè)是平行于玻纖布排列方向（圖1），一個(gè)是垂直于玻纖布方向（圖2）。

圖1 平行于玻纖布測(cè)試

圖2 垂直于玻纖布測(cè)試

葉片主梁在縱切鋸上進(jìn)行直線鋸切，每切削一段距離后拆下鋸片進(jìn)行觀測(cè)，金剛石鋸齒破壞形式如圖3 所示。當(dāng)達(dá)到以下任意條件時(shí)測(cè)試結(jié)束。

圖3 金剛石鋸齒破壞形式

（1）當(dāng)鋸齒數(shù)脫落≥5 時(shí)測(cè)試結(jié)束。

（2）當(dāng)金剛石鋸齒破碎≥10 時(shí)測(cè)試結(jié)束。

（3）當(dāng)鋸片燒糊，或測(cè)試時(shí)有可觀測(cè)到煙霧，或有明火星時(shí)測(cè)試結(jié)束。

（4）鋸片有明顯變形時(shí)測(cè)試結(jié)束。

（5）當(dāng)鋸切過(guò)程中的聲音明顯有異常時(shí)測(cè)試結(jié)束。

（6）達(dá)到預(yù)設(shè)極限測(cè)試距離時(shí)測(cè)試結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 主梁材料性能分析

表1 為主梁的靜曲強(qiáng)度和彈性模量。其中垂直于玻纖布方向的第1 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏移量過(guò)大，因此在算平均值時(shí)第1 組數(shù)據(jù)舍棄不用。從平均值來(lái)看，平行于玻纖布方向主梁的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均小于垂直于玻纖布方向的主梁。

表1 主梁靜曲強(qiáng)度和彈性模量

從圖4 和圖5 可以看出，平行于玻纖布方向主梁的彈性模量離散性較大，在測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)平行于玻纖布進(jìn)行測(cè)試時(shí)主梁容易分層（圖6），而且分層的位置也不同，這是導(dǎo)致其彈性模量離散性較大的主要原因之一，同時(shí)也是導(dǎo)致平行玻纖布方向的靜曲強(qiáng)度和彈性模量較小的原因之一。

圖4 平行玻纖布方向主梁的靜曲強(qiáng)度和彈性模量

圖5 垂直玻纖布方向主梁的靜曲強(qiáng)度和彈性模量

圖6 測(cè)試時(shí)主梁分層

在以上力學(xué)測(cè)試結(jié)果條件下，設(shè)計(jì)刀具時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

（1）在鋸切時(shí)，刀具的主刃平行于玻纖布，玻纖布主要承受拉力，對(duì)應(yīng)的是平行玻纖布主梁抗壓；側(cè)刃和玻纖布有一定夾角，玻纖布主要是抗剪切，對(duì)應(yīng)的是垂直玻纖布主梁抗拉（圖7）。那么設(shè)計(jì)刀具時(shí)必須有一定刃傾角，否則對(duì)于主刃磨損和沖擊過(guò)大。有刃傾角后有利于主刃與玻纖布接觸位置形成應(yīng)力集中，有利于切除材料。

圖7 鋸齒切削刃與玻纖布方向

（2）主梁材料彈性模量較大，而且形成鋸路過(guò)程中由于平行于玻纖布有拉緊預(yù)應(yīng)力，所以鋸路有閉合趨勢(shì)。因此齒寬需盡可能大于鋸身，防止夾鋸。但齒寬也不能過(guò)大，否則容易造成鋸路損失，也會(huì)使鋸切沖擊力過(guò)大，造成鋸齒破碎。

（3）主梁的靜曲強(qiáng)度是木材的10 倍左右（木材一般為90 MPa），因此鋸齒強(qiáng)度要高，楔角不能太小，前角也不能太大，否則刃口容易破碎。

2.2 刀具參數(shù)對(duì)切削性能影響

從主梁材料性能分析結(jié)果對(duì)刀具進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，其中幾個(gè)關(guān)鍵因素為刃傾角，齒寬和前角。刀具參數(shù)示意圖如圖8 所示。

圖8 刀具參數(shù)

如果在主刃上設(shè)置刃傾角，主刃則會(huì)有尖角，極易被磨損，因此考慮設(shè)計(jì)梯形齒，形成兩個(gè)副刃，副刃高度（L）為2 mm。副刃與主刃之間的夾角稱之為副刃夾角（λ），設(shè)置范圍為120° ～150°。

考慮到鋸片穩(wěn)定性因素，鋸身厚度設(shè)置為3.8 mm，鋸齒寬度（B）設(shè)置要大于鋸身厚度0.4 ～1 mm。

主刃后角（α）設(shè)置為10°，側(cè)刃和副刃后角設(shè)置為5°，前角（γ）不能太大，因此設(shè)置范圍為30°～50°。

單因素設(shè)置實(shí)驗(yàn)見表2。

表2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 副刃傾角

從表3 中可以看出，當(dāng)λ= 120°時(shí)，鋸片壽命最短，當(dāng)λ= 135°時(shí)，鋸片壽命最長(zhǎng)。此外，隨著λ增加，切削噪音會(huì)逐漸清脆，震動(dòng)減小。

表3 副刃傾角對(duì)刀具性能的影響

當(dāng)λ= 120°時(shí)，主刃長(zhǎng)度最長(zhǎng)，受到的切削阻力最大，而且切削過(guò)程中震動(dòng)最大，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，沒(méi)有發(fā)生金剛石鋸齒破碎的情況，以鋸齒脫落為主，因此可以判斷其鋸齒受到的阻力過(guò)大，使硬質(zhì)合金鋸齒基材的焊接位置發(fā)生破壞，造成鋸齒整體脫落。而當(dāng)有少量鋸齒脫落后再進(jìn)行切削，鋸片切削阻力會(huì)進(jìn)一步加大，加速了鋸齒脫落。

當(dāng)λ = 150°時(shí)，主刃長(zhǎng)度最短，受到的切削阻力最小，切削震動(dòng)最小，但是由于主刃面積變小，應(yīng)力集中使主刃部分受到的應(yīng)力最大。從測(cè)試結(jié)果可以看出鋸片初期破壞形式主要是以金剛石鋸齒破碎為主，金剛石鋸齒破碎后也會(huì)逐漸是切削阻力增大，從而造成后續(xù)的鋸齒脫落。

當(dāng)λ= 135°時(shí)，刀具壽命最長(zhǎng)，但是切削過(guò)程中的震動(dòng)比λ= 150°時(shí)要大，切削阻力也略大。

2.2.2 刀齒寬度

從表4 中可以看出，齒寬對(duì)于鋸片切削性能影響差異性非常顯著。當(dāng)齒寬為4.2 mm 時(shí)，鋸片夾鋸明顯，鋸齒齒根磨損嚴(yán)重（圖9），導(dǎo)致鋸片壽命極短，而且鋸片焦糊現(xiàn)象非常顯著（圖10）。隨著鋸齒寬度增加，夾鋸現(xiàn)象逐漸減弱，鋸片壽命增長(zhǎng)非常顯著。

表4 刀齒寬度對(duì)刀具性能的影響

圖9 切削100m 后的鋸片（B=4.2mm）

圖10 切削200m 后的鋸片（B=4.2mm）

2.2.3 前角

從表5 中可以看出，當(dāng)γ= 40°時(shí)，刀具切削性能最好。隨著γ增大，刀齒的楔角變小，刀齒整體強(qiáng)度變小，容易破碎。隨著γ減小，刀齒的沖擊力變大，因此刀齒容易脫落。

表5 前角對(duì)刀具性能的影響

3 刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)與切削性能驗(yàn)證

根據(jù)2.2 的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，當(dāng)λ= 135°時(shí)，刀具壽命最長(zhǎng)，但切削阻力略大，而且有震動(dòng)略大，不利于鋸片的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，也不利于鋸片發(fā)揮其最佳切削性能；當(dāng)λ= 150°時(shí)，刀具壽命雖然略有減小，但切削阻力和震動(dòng)較小。因此綜合考慮切削能耗和刀具壽命，同時(shí)發(fā)揮λ= 135°時(shí)刀齒強(qiáng)度高和λ= 150°時(shí)切削穩(wěn)定性好、阻力小的特點(diǎn)，可設(shè)置成λ= 135°和λ=150°的交替齒形。B設(shè)置為4.8mm，γ設(shè)置成40°。

設(shè)計(jì)的鋸片測(cè)試結(jié)果如表6 所示。相較于未優(yōu)化刀具，鋸片最長(zhǎng)切削壽命可達(dá)1300 m，相較于單一齒形的鋸片增加了300 m，鋸片壽命提升顯著。

表6 優(yōu)化鋸片設(shè)計(jì)后的切削性能

4 結(jié)論

本文針對(duì)退役風(fēng)機(jī)葉片主梁材料性質(zhì)，研究了圓鋸片刀齒參數(shù)對(duì)葉片主梁切削性能的影響，并進(jìn)行了刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)和切削性能驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

（1）主梁材料在平行于玻纖布方向的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均小于垂直于玻纖布方向，平行于玻纖布方向主梁容易分層，導(dǎo)致其彈性模量離散性較大。參照主梁材料特性設(shè)計(jì)刀具。

（2）隨著副刃傾角增大，切削阻力和震動(dòng)減小，副刃傾角為135°時(shí)，鋸片壽命最長(zhǎng)；齒寬對(duì)于鋸片切削性能影響差異性非常顯著，隨著鋸齒寬度增加，夾鋸現(xiàn)象逐漸減弱，鋸片壽命增長(zhǎng)顯著；隨著前角增大，刀齒整體強(qiáng)度變小而易破碎，隨著前角減小，刀齒的沖擊力變大而易脫落，前角為40°時(shí)，刀具切削性能最好。

（3）副刃傾角為135°和150°的交替齒形、鋸齒寬度為4.8 mm、前角為40°的鋸片最長(zhǎng)切削壽命可達(dá)1300 m，鋸片壽命提升顯著。

（4）本研究適用于工業(yè)化生產(chǎn)的專用切割鋸片，提出了葉片切割鋸片的優(yōu)化方案，解決葉片切割工藝中最關(guān)鍵的問(wèn)題，為退役風(fēng)機(jī)葉片的加工和綠色增值綜合利用提供參考。