叶片UT检测用扫查架的开发及应用

赵康南 赵明岗 孔志国 付文豪 孙立恒

（中材科技（邯郸）风电叶片有限公司，河北 邯郸 056000）

风电行业不断朝着“低风速、大容量”的目标经历了10年的快速发展，风电叶片在长度方面不断更新，5年内叶片平均长度由50m快速发展到百米级，作为风电叶片力学结构的主要承载部件，主梁、腹板的粘接尤为重要。

目前，行业内叶片UT检测多采用扫查架，人工分段检测主梁和腹板的粘接情况，以保证叶片主梁、腹板的结构和工艺性能[1]。该检测设备主要包括2个结构，即贴合在叶片外侧的检测探头和中控处理设备。在检测扫描作业过程中，需要配备2个检测探头的固定操作人员[2]。整个作业过程由1人负责操控电脑，1人在叶片外侧刷涂检测液，2人手抬检测探头贴合在叶片外侧，共4人操作，造成了极大的人员浪费。同时针对小腹板位置的检测作业，还需要配第5名操作人员协助2名手抬检测探头的人员完成登高作业，费时费力。

因此本文探究了扫查架检测优化技术，通过对检测探头进行5个自由度的调整，实现检测探头全方位移动，取消手抬设备、协助登高的无效操作，优化操作员工。

1 技术路线

1.1 自由度研究

为使扫查架满足所有叶片的作业，需要保证该检测探头能够实现5个自由度的调整（包括3个平动自由度和2个转动自由度）[3-4]，如图1所示，即叶片轴向的前/后移动x、叶片弦向的左/右移动y、叶片高度的上/下移动z、叶片轴向的转动α和叶片弦向的转动β。

图1 自由度示意图

1.2 检测方式

对扫查架检测优化技术的检测方式进行模块划分，主要分为平移方式研究、升降方式研究以及检测探头固定方式研究。

在实际检测过程中，优化后的扫查架可实现2人操作，作业流程如下。1）人工推动扫查架，将其移动到主梁（或副梁）的正前方。2）调整检测探头的轴向角度，保证检测探头2组吸盘的连接线与主梁（或副梁）轴向拼接缝平行。3）调整检测探头的弦向角度，使检测探头的吸盘完全平行与主梁（或副梁）。4）开启真空泵阀门，将检测探头固定通过真空负压吸附在叶片表面。5）开始检测。该段主梁（或副梁）检测完成后，重新回到步骤1，开始下一段检测。改善前和改善后的检测扫描示意图分别如图2、图3所示。

图2 改善前检测扫描示意图

图3 改善后检测扫描示意图

1.3 平移模块

平移模块决定了检测设备的移动效率，其影响因素较多，包括地面硬度、地面平整度等。采用碳素结构钢Q235B焊接制作辅助工具。Q235B不经过热处理，焊接性能、塑性和韧性均较好，并有一定的强度，能够满足检测设备的承载需求[5]。为平移模块配备4个万向轮（带刹车），实现检测设备整体在水平方向上的轴向移动（x向）和弦向移动（y向）。在距离地面900mm高的位置焊接把手。把手采用DN20无缝钢管，在便于员工操作的基础上，实现设备的转移。针对平移方式的研究，还需同时考虑伸缩性和旋转功能，实现检测探头的90°旋转功能、底盘伸缩功能，保证在任意宽度空间内均能完成叶片检测[6]。

1.4 升降模块

升降方式决定了检测设备在主梁、副梁间的调整效率，是保证检测探头能够适用于叶片主梁和副梁各种高度的物质基础。经调研，升降空间控制在1.5m～4.5m，可以满足在产叶片的检测要求[7]。

升降方式需要保证员工操作的便捷性、升降效率的高效性。升降方式整体包括液压升降和动滑轮，使用流程如下。1）通过踩踏电动液压升降踏板，促使液压缸活塞上升或下降，带动动滑轮组上升或下降，从而实现检测探头上升或下降。2）在液压升降外侧设计一组动滑轮，将固定支撑架作为动滑轮的支点，活塞缸末端作为动滑轮的动力施加点，检测探头的接口作为动滑轮的阻力施加点。通过活塞缸升降带动动滑轮升降，使检测探头的升降实现翻倍，提高检测探头的升降效率。升降示意图如图4所示。

图4 升降示意图

1.5 探头固定架检测

叶片在立放姿态下做检测，由于各叶片翼型和存放支架高度存在差异，因此主梁位置存在不同的轴向倾角α。由于叶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倾角β。

检测探头固定过程中，需要实现检测探头的2个自由度，包括轴向转动α和弦向转动β[8]。通过调整2个自由度，使检测探头适用于叶片立放姿态下的主梁、副梁检测。

1.5.1 轴向转动α

轴向转动应用于单根主梁（或副梁）在叶片轴向产生的高、低落差，轴向转动机构一侧通过销轴与支架主体连接，另一侧通过“T”形丝杠升降实现整体转动。转动角度可适用于各型号的叶片。轴向转动示意图如图5所示。

图5 轴向转动示意图

1.5.2 弦向转动β

弦向转动应用于单根主梁（或副梁）在叶片弦向产生的前、后差或主梁检测切换副梁检测产生的弦向前、后差[9]。弦向转动机构通过“T”形丝杠的升降运动带动2个万向联轴器及其配套中间轴整体转动，实现机构定位的前、后移动，最终实现支架整体的弦向转动。弦向转动示意图如图6所示。

1.5.3 结构分析

由于检测探头固定支架的配件较多，支架整体对连接位置产生的力矩较大，检测探头的转动又较频繁且属于精密检测仪器，成本较高，因此对检测探头固定支架的稳定性要求较高。为避免支架因承载重物频繁动作，造成塑性变形，进而导致无法正常作业或检测探头损坏，进行固定支架设计时，本文利用三维软件solidworks中的simulation模块对其进行有限元分析（以连接位置作为固定夹具，在检测探头安装位置施加100kg载荷），最大应力为133.8MPa，小于材料的屈服强度235MPa，安全系数为1.7。满足日常检测要求。固定支架有限元分析如图7所示。

图7 固定支架有限元分析

2 现场验证

将UT检测设备安装到设计好的扫查架上，连续检测20支叶片，每个型号的在产叶片都应在检测叶片中。依次统计UT扫描设备的实际操作人数、检测效率以及检测结果的有效性，以验证扫查架的有效性和实用性。

2.1 实际操作人数统计

使用组装好的扫查架对各型号叶片的主梁腹板区域进行UT检测，在不借助其他资源的前提下实现了2人操作，员工A负责设备操作+设备转移，员工B负责刷涂检测液+设备转移。各型号改善前、后的检测人员统计见表1。

表1 扫查架使用前、后人员统计（使用后可减少2名操作人员）

2.2 检测效率统计

由2人操作，在各型号叶片上进行了为期2个月的试验，试验期间完全无其他人员协助，检测叶片为日常产出叶片，检测环境无任何优势条件。检测时间统计结果如表2和图8所示。

表2 检测时间统计结果（比较使用前、后的平均检测时间，无明显差异）

图8 检测时间统计示意图

2.3 UT检测结果

由3名专业认证的检测人员分别对检测扫描结果进行分析，并对3个分析结果进行综合验证，最终确认检测结果满足叶片行业的使用要求。检测结果如图9所示。

图9 检测结果

3 结论

本文对新型“扫查架”的结构和功能进行了有效论证，通过5个自由度的调整实现扫描探头与叶片的无缝贴合。通过平移模块、升降模块以及检测探头固定架模块的功能、原理介绍，论证了新型“扫查架”实施的可行性。应用新型“扫查架”后，对使用前/后的人员消耗、效率统计和效果进行了比较和分析，结果为检测过程可以优化2名操作人员，大大降低人工成本；应用新型“扫查架”可实现2人操作，检测效率和检测结果无任何影响。最终验证了将新型“扫查架”应用到生产过程中，不仅可以减少操作员工，还可以降低风电叶片UT检测的成本。

在平价上网的时代，降本增效是叶片企业发展的必经之路。本项目的技术研究，建立了一套完善的扫查架检测方案，为后续扫查架检测优化为1名操作员工提供理论支持和技术经验。同时检测效率的提升还可满足客户检测需求，极大地提高客户满意度。