風(fēng)能展技術(shù)論壇（一）—風(fēng)電葉片用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠疲勞性能研究
2013年10月17日，北京國(guó)際風(fēng)能暨展覽會(huì)—風(fēng)電技術(shù)論壇。國(guó)家玻璃鋼制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心張林文主任介紹：風(fēng)電葉片用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠疲勞性能研究。以下是全文：
張林文：大家上午好!給大家介紹一下關(guān)于風(fēng)機(jī)疲勞性能測(cè)試的研究。主要做的是環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的這種，對(duì)于葉片來(lái)說(shuō)需要很多材料需要進(jìn)行疲勞測(cè)試，在這兒僅僅以結(jié)構(gòu)膠的疲勞測(cè)試為例。
匯報(bào)分四個(gè)方面的內(nèi)容：
一、疲勞測(cè)試的目的
二、目前測(cè)試的現(xiàn)狀
三、疲勞測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程介紹
四、疲勞試驗(yàn)結(jié)論
一、疲勞測(cè)試目的：材料的規(guī)范、研究和開(kāi)發(fā)、質(zhì)量保證、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析、材料認(rèn)證需要。這是疲勞測(cè)試的目的，但是有一個(gè)原因，大家都知道我們國(guó)家風(fēng)電葉片這幾年發(fā)展的非常快，但是中間出了很多問(wèn)題，為什么出現(xiàn)這些問(wèn)題?我自己的觀點(diǎn)可能不太成熟，可能是因?yàn)槲覀兦捌诎l(fā)展太快，關(guān)于材料各方面基礎(chǔ)工作做的不夠，其中就有關(guān)于疲勞性能的研究不足。因?yàn)槿~片是在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行的，但是我們目前國(guó)內(nèi)的一些葉片使用的材料僅僅是一些靜態(tài)的性能，沒(méi)有考慮到所謂的疲勞性能。所以說(shuō)就出現(xiàn)了很多問(wèn)題。昨天也是一個(gè)風(fēng)電公司，到我們那里去，交流一些問(wèn)題。當(dāng)時(shí)也是說(shuō)葉片有斷的等等這樣的問(wèn)題。歸納起來(lái)原因我認(rèn)為就是沒(méi)有對(duì)疲勞性能研究是有很大的原因的。
關(guān)于葉片材料疲勞測(cè)試有幾類：第一個(gè)就是關(guān)于對(duì)樹(shù)脂和纖維的測(cè)試。樹(shù)脂和纖維是做葉片兩個(gè)主要的材料，對(duì)它的疲勞測(cè)試是一種樹(shù)脂配少一種纖維，做復(fù)合材料的測(cè)試。主要是拉伸疲勞和壓壓疲勞，彎曲少一些。第二類比較多的就是泡沫、清末，是小結(jié)構(gòu)疲勞，一般采用彎曲疲勞測(cè)試。從國(guó)外了解來(lái)看，基本還不是所謂的采用國(guó)內(nèi)的三點(diǎn)彎曲，是采用四點(diǎn)彎曲。據(jù)說(shuō)這種彎曲考慮了一部分剪切的原因，所以說(shuō)基本都是采用四點(diǎn)彎曲去做的。
第三類的材料做疲勞測(cè)試的就是結(jié)構(gòu)膠，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)葉片出現(xiàn)問(wèn)題、出現(xiàn)失效，很多都是粘接過(guò)程中開(kāi)裂，出現(xiàn)問(wèn)題。這本身是靜態(tài)材料的性能才可以，或者說(shuō)因?yàn)槲覀円蟮臅r(shí)候，各個(gè)廠家的要求，對(duì)材料性能特點(diǎn)要求比較高。不管是強(qiáng)度還是能量要求都比較高。但是實(shí)際上往往忽視了材料的疲勞性能，所以這種粘接劑疲勞對(duì)整個(gè)葉片材料來(lái)說(shuō)也是非常重要的。粘接劑疲勞廠家應(yīng)該要補(bǔ)上這堂課，這種疲勞一般就是拉剪。
為什么要進(jìn)行這種測(cè)試?意義是什么?我們前期發(fā)展太快，一些工作做的不夠，需要補(bǔ)課，這是第一。第二，目前葉片大型化發(fā)展，它對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)材料的要求更高。再一個(gè)，以前葉片出現(xiàn)的問(wèn)題，一般都是葉片要是20年的使用周期。但是從08年大規(guī)模發(fā)展到現(xiàn)在也就5年的時(shí)間，都會(huì)出現(xiàn)大量葉片非正常非壽命周期斷裂或者其他的問(wèn)題，肯定有多種多樣的原因。
第三個(gè)是關(guān)于認(rèn)證的需求。比如說(shuō)GL認(rèn)證、Aerodyn等。
第四個(gè)是關(guān)于對(duì)葉片性能全面的評(píng)價(jià)。因?yàn)檎嬲牟牧先~片做的好不好，能不能長(zhǎng)期可靠的使用，更重要的是材料綜合評(píng)價(jià)，而不是靜態(tài)的。
所以說(shuō)希望疲勞測(cè)試能引起大家的重視。
我們今天以結(jié)構(gòu)膠作為疲勞測(cè)試的案例，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)膠是葉片重要組成部分，出現(xiàn)問(wèn)題對(duì)整個(gè)葉片會(huì)出現(xiàn)影響。另外目前國(guó)內(nèi)的這種結(jié)構(gòu)膠主要有幾類。第一個(gè)是環(huán)氧類的，第二個(gè)是聚氨酯或者乙烯基的，主要以環(huán)氧類為主。目前測(cè)試的狀態(tài)國(guó)內(nèi)一般的是按照國(guó)標(biāo)27595這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)，它是等同ISO標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)有復(fù)合材料疲勞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，但是對(duì)于膠的來(lái)說(shuō)，我們一般都是按照這兩個(gè)去做。第一個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)就用9664，測(cè)試的分析就用E739去做。
我們這次采用拉拉疲勞單項(xiàng)剪切進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)實(shí)驗(yàn)是我們和南京海拓公司一起合作來(lái)做的，我們采用了他們的Lica600認(rèn)證，現(xiàn)在一些葉片公司也在大量的采用，我們把它作為一個(gè)主要材料，其實(shí)我們還有其他幾個(gè)廠家進(jìn)行了對(duì)比。采用的設(shè)備是采用INSTRON的實(shí)驗(yàn)機(jī)。
首先要做試樣，為了能夠保證疲勞試驗(yàn)可靠度，這樣就需要在做試樣的時(shí)候盡可能的多，因?yàn)樵嚇拥倪^(guò)程對(duì)整個(gè)疲勞的結(jié)果是有很大的影響的。先做它的靜態(tài)性能，把這個(gè)指標(biāo)用于后臺(tái)疲勞試驗(yàn)的指標(biāo)來(lái)用。我們了解到，國(guó)內(nèi)做環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠靜態(tài)的拉剪強(qiáng)度有比較高的，但是疲勞性能可能過(guò)不了。
疲勞實(shí)驗(yàn)方法是按照9664的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做，設(shè)定平均應(yīng)力值是35%，頻率為30Hz。先做1000萬(wàn)次的疲勞測(cè)試，最后做剩余應(yīng)力結(jié)果，通過(guò)做30Hz，震幅2兆帕，最終達(dá)到85.6%，說(shuō)明疲勞性能還是不錯(cuò)。
有哪些對(duì)疲勞性能會(huì)有影響：第一是材料的組分，第二個(gè)就是破壞方式的影響。破壞方式正常的話，應(yīng)該是膠層的破壞才算合理，第三個(gè)是膠層的厚度。道理上講膠層厚度越薄越能反應(yīng)情況，因?yàn)槟z層厚了缺陷會(huì)增多。但是也有一個(gè)限制，不可能太低，和我們實(shí)際使用的時(shí)候膠層厚度要能夠一致。增韌劑比例一般不能大于10%，大于10%它的疲勞也會(huì)受影響，一般是7%到10%左右最合適,從5%到10%的時(shí)候疲勞性能隨著增韌劑的添加逐漸提高，繼續(xù)添加就過(guò)于軟了。
破壞方式，我們認(rèn)為一般的中間膠層的破壞是比較合理的，而且這種結(jié)果更接近真實(shí)的結(jié)果。另外膠層厚度，我們選用了四種厚度，0.2、0.5、1.2、1.8，膠層越薄越好，但是因?yàn)椴僮鞯脑?，不可能太薄，一?.5是最合適的。
表征：是采用階梯法的形式，標(biāo)準(zhǔn)就是按照9664的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做。采用圖紙震度是35%的水平，沒(méi)有通過(guò)就降低0.2兆帕，通過(guò)了就提高0.2兆帕。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)，按照公式，計(jì)算一下疲勞極限和最后的偏差，同時(shí)做S-N曲線。我們做這個(gè)實(shí)驗(yàn)是95%的情況下的結(jié)果，所有的數(shù)據(jù)應(yīng)該是在2倍的西格瑪區(qū)間內(nèi)。
做出S-N曲線擬合以外，外推1000萬(wàn)次，和實(shí)際1000萬(wàn)測(cè)試結(jié)果兩個(gè)進(jìn)行比較，兩者之間是比較吻合的。我們?cè)跍y(cè)試的時(shí)候，為什么會(huì)采用30Hz，為什么采用那么大的頻率，他們大的振幅，這是根據(jù)我們?cè)谌~片上用的膠的情況設(shè)定的，當(dāng)頻率一定的時(shí)候，振幅越低次數(shù)越多一些，我們還是選擇了相對(duì)比較高的頻率30Hz，一般材料都是20Hz左右在做，做高頻的可能會(huì)發(fā)熱，做膠來(lái)說(shuō)做30Hz還可以。
通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)得到一些結(jié)論：
疲勞性能受到很多因素的影響，主要是膠本體的性能，包括采用不同的機(jī)體和材料的影響。
第二個(gè)就是試樣制備的過(guò)程。希望能夠在做這種實(shí)驗(yàn)的時(shí)候盡可能多的同一批次的試樣多做一些，避免不同批次試樣結(jié)果的差別，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的逼真。
第三個(gè)就是破壞的形式的影響。如果不是正常的破壞形式，結(jié)果也會(huì)有很大的影響。另外這種實(shí)驗(yàn)通過(guò)S-N曲線做出的結(jié)果進(jìn)行外推，和實(shí)際1000萬(wàn)次擬合結(jié)果基本一致。
我們這次進(jìn)行測(cè)試的南京海拓結(jié)構(gòu)膠效果還是非常好的，它的疲勞性能還是非常良好的。
建議：為了葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用安全性，需要對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行疲勞測(cè)試，葉片相關(guān)認(rèn)證部門和設(shè)計(jì)部門應(yīng)將結(jié)構(gòu)膠疲勞性能納入考慮范圍中。今后可能納入考核認(rèn)證中，這樣對(duì)葉片安全更有意義。謝謝大家!
