一种退役风电叶片叶根的内嵌榫卯接合再造方法与流程

本发明属于风电装备再制造与退役风电叶片回收利用，具体涉及一种退役风电叶片叶根的内嵌榫卯接合再造方法，通过保留并复用退役叶片原有叶根，在叶根板内侧开设卯槽与梁板领结形榫头内嵌嵌套，实现叶片主体与原叶根的高强度连接，最终适配目标风机轮毂实现降级复用，符合机械产品再制造的相关国家标准要求。

背景技术：

1、风电叶片是风力发电机组的核心捕风部件，主要由玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料通过真空灌注工艺一体成型，典型结构包括承担主要弯曲载荷的单向纤维主梁、维持气动外形的双轴布蒙皮、传递剪切载荷的腹板以及轻质夹芯材料。主梁纤维沿叶片轴向布置，蒙皮纤维多为±45°方向，这种各向异性特性决定了叶片轴向承载能力强、横向抗剪与抗剥离能力相对较弱的力学特点。

2、

3、现有退役叶片处置技术主要分为四类，均存在明显短板：填埋与焚烧污染严重、资源完全浪费；机械破碎回收属于降级利用，完全破坏气动与结构价值；热解与化学回收成本高、纤维性能衰减，尚未规模化应用；叶片整体复用受限于叶根接口不匹配，应用场景极其有限。

4、针对接口不匹配问题，行业内部分方案选择完全废弃原有叶根，在叶片端部重新制作金属或复合材料连接结构，该方案直接废弃了原叶根这一经过严格设计验证、具备成熟承载能力的高价值复合材料构件，材料利用率低，且新制连接结构的强度与疲劳性能需重新验证，可靠性不及原结构。另有部分方案采用平板搭接粘接连接梁板与新制连接件，仅依靠树脂胶的化学粘接力承载，无机械锁合结构，长期承受交变风载时易出现界面剥离失效，安全冗余度不足；且粘接面积受搭接长度限制，难以在有限空间内实现高强度连接。

5、此外，现有再造方案多切除腹板，导致改造后叶根段抗剪、抗扭刚度大幅下降，内部空腔易发生截面畸变与失稳，结构稳定性差。退役叶片再制造需符合《机械产品再制造通用技术要求》（gb/t 28618-2012）等标准要求，现有技术在结构继承性、连接可靠性、截面稳定性上仍达不到理想的再制造要求。

6、综上，行业内亟需一种既能完整保留叶片气动性能与主梁承载能力，又能充分继承原叶根的结构强度与连接功能，同时连接可靠、截面刚度足、符合再制造标准的退役叶片叶根再造技术。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种退役风电叶片叶根的内嵌榫卯接合再造方法，解决退役叶片原叶根接口不匹配无法复用的核心问题，同时克服现有方案中原叶根浪费、连接仅靠化学粘接可靠性不足、截面刚度弱、材料利用率低的缺陷，实现退役叶片的高价值再制造与降级复用。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种退役风电叶片叶根的内嵌榫卯接合再造方法，包括以下步骤：

3、s1 叶片裁切分离：根据目标风机的装机参数确定改造后叶片总长度，将退役风电叶片沿裁切线裁切分离，得到带有完整叶尖与气动外形的叶片主体，以及带有完整预埋螺栓套连接结构的原有叶根段。

4、将叶片拆分为主体功能段与叶根连接段两部分，主体段保留气动核心价值，叶根段保留连接核心价值，为后续分别加工、重新组合奠定基础；区别于现有技术废弃原叶根的方案，本步骤完整保留原叶根段，实现高价值构件的继承复用。

5、原叶根的全部复合材料层压结构、预埋螺栓套连接结构均被完整保留，其经过原设计验证的承载能力与连接可靠性得以继承，避免了结构浪费；同时叶片主体的气动外形100%保留，保证发电性能。

6、适用于所有主体结构完好的退役风电叶片，无论原叶根接口形式与尺寸，均可通过裁切分离后再造适配新接口。

7、裁切后保留的叶片主体长度为6～15m，对应100kw～1mw级分布式风机的常用叶片长度，是退役大兆瓦叶片降级复用的主流适配区间；叶片原有的翼型曲线、扭转角分布、弦长分布气动参数完整保留，是保证发电效率的核心前提。

8、s2 端部结构预处理：在叶片主体的裁切端沿轴向向叶尖方向切除设定长度范围内的前缘蒙皮与后缘蒙皮，露出该长度范围内上下相对布置的上梁板与下梁板，以及连接于上梁板与下梁板之间的腹板并完整保留腹板，对梁板表面进行打磨清理。

9、蒙皮在叶根连接段的核心作用是维持气动外形，再造后该区域被连接结构覆盖，蒙皮功能可被替代，因此予以切除以露出主梁板作为连接基体；腹板是承担剪切载荷、维持箱型截面形状的核心构件，对叶根段的抗扭刚度与结构稳定性至关重要，因此完整保留，区别于现有技术切除腹板的方案。

10、保留腹板使改造后的叶根段仍维持箱型受力截面，抗剪能力与抗扭刚度显著提升，可有效防止截面畸变与失稳；打磨清理可去除表面污染物与老化层，保证后续粘接界面强度。

11、切除蒙皮的轴向长度为300～800mm，可根据载荷需求灵活调整，兼顾连接强度与结构重量；打磨清理露出洁净的纤维增强复合材料表面，避免界面污染导致粘接失效。

12、s3 领结形榫头加工：将露出的上梁板与下梁板的再造端部分别裁剪为两端宽、中间收窄的领结形对称截面结构，作为内嵌榫卯接合的榫头；对梁板进行领结形裁剪时，同步将与领结形区域相邻的腹板端部进行适配性裁剪，使其轮廓与裁剪后的梁板相适应，并保留腹板的主体部分。

13、将传统等宽的梁板端部加工为领结形，一是形成凹腰结构，嵌入卯眼后可实现机械互锁，构建化学粘接和机械锁合的双重连接体系，彻底改变单一粘接的失效模式；二是在有限的轴向长度内最大化粘接周长与粘接面积，提升粘接承载能力；三是通过斜角过渡实现载荷平缓传递，避免截面突变引发的应力集中。对腹板端部进行适配裁剪，是为了确保在梁板形成领结形结构后，腹板仍能与梁板保持可靠连接，维持完整的箱型截面传力路径，避免连接中断导致的剪切承载力丧失。

14、领结形截面的粘接面积较等宽矩形截面可提升40%～60%，连接强度显著提高；凹腰结构形成天然机械阻挡，即使胶层出现局部失效，仍可通过机械互锁维持连接，安全冗余度大幅提升；腹板主体部分的保留确保了剪切载荷的有效传递。

15、领结形对称截面结构的最小宽度为梁板原始宽度的50%～70%，该比例区间兼顾了机械锁合效果与梁板自身的结构强度，收窄过多会削弱梁板本体强度，收窄过少则锁合效果不明显；通过两段斜角过渡段连接两端宽部与中间凹腰部；裁剪后对领结形边缘进行倒圆角处理，圆角半径为3～5mm，目的是去除尖角毛刺，消除应力集中源，避免承载时边缘出现开裂分层。

16、s4 叶根板剖切与内侧卯眼加工：将裁切得到的原有叶根段沿轴向剖切为上叶根板与下叶根板，在上叶根板与下叶根板朝向腹板的内侧表面、靠近叶片主体的一端，分别加工出与领结形榫头外形适配的凹槽体，作为内嵌榫卯接合的卯眼，槽体深度为梁板厚度的三分之二，保留叶根板底部基材连续。

17、将圆筒状的原叶根剖切为上下两片板状结构，是为了与上下梁板分别对应连接，解决圆筒状叶根无法直接与梁板嵌套的装配难题；在朝向腹板的内侧表面开槽，形成内嵌式卯眼，与榫头配合构成完整的内嵌榫卯接合体系；槽深控制为梁板厚度的三分之二，保留三分之一的叶根板基材作为槽底，保证叶根板的结构连续性与整体强度，避免槽体贯通导致叶根板强度下降。

18、原叶根由整体圆筒拆分为两个独立连接板，装配灵活性大幅提升；内嵌嵌套结构使载荷传递更直接，界面受力更合理；保留槽底基材保证了叶根板的结构完整性，基础承载强度不受开槽削弱。

19、单片叶根板的宽度为梁板原始宽度的3～4倍，足够的宽度可保证叶根板有充足的承载面积与边缘余量，避免连接区域应力过大；轴向长度为外露梁板长度的1.5倍，保证足够的搭接与粘接长度；加工的槽体外轮廓比领结形榫头外轮廓单侧大1.5～2.5mm，形成总厚度为3～5mm的均匀粘接间隙，为树脂胶提供填充空间，保证胶层厚度均匀。

20、剖切原有叶根段时保留叶根内部的预埋螺栓套结构不受损伤，剖切后上叶根板、下叶根板与支撑结构内部均带有完整的原有预埋螺栓套，目的是继承原叶根的螺栓连接功能，为后续法兰安装提供成熟可靠的连接基础。

21、s5 内嵌式榫卯嵌套粘接固化：在领结形榫头的外表面与内侧卯眼的内壁均匀涂敷风电专用结构树脂胶，将上梁板的领结形榫头对应嵌入上叶根板内侧的卯眼内、下梁板的领结形榫头对应嵌入下叶根板内侧的卯眼内，形成叶根板包覆梁板端部的内嵌嵌套结构；加压固定后进行固化养护，通过树脂胶粘接层使梁板与对应叶根板形成粘接连接。

22、通过树脂胶填充榫卯配合间隙，实现复合材料之间的化学粘接，将梁板与叶根板粘结为整体；内嵌式嵌套使梁板完全容纳于叶根板内部，叶根板从外侧包覆梁板，传力路径连续，整体结构整体性强。

23、榫卯嵌套+树脂粘接的组合，使连接节点同时具备化学粘接力与机械咬合力，承载能力与可靠性远高于普通平面搭接。

24、所述结构树脂胶为风电叶片专用环氧结构胶，固化后拉伸剪切强度不低于25mpa，该类型胶与叶片基体材料兼容性好，耐老化、耐疲劳，是风电行业结构粘接的标准用材；固化养护条件为室温下固化72小时，或60℃条件下固化6小时，匹配行业通用固化工艺，保证胶层性能充分发挥；加压固定过程中挤出多余胶体，保证胶层均匀无气泡，提升粘接质量稳定性。

25、s6 支撑结构填充安装：利用原有叶根段剖切后的剩余材料制备支撑结构，将支撑结构填充并粘接固定于上叶根板与下叶根板之间的全部空隙内。

26、上下叶根板之间原为空腔，仅靠梁板与腹板支撑，抗扭、抗压稳定性不足；填充支撑结构可完全填满内部空隙，使叶根段形成近似实心的复合材料截面，大幅提升截面的抗弯、抗扭刚度与抗压稳定性，防止截面畸变与失稳；同时利用原叶根剩余材料制作，实现废料原位复用，进一步提升材料利用率。

27、叶根段截面刚度与稳定性显著提升，可承受更复杂的交变载荷，避免长期运行中出现截面变形与结构失稳；原叶根材料得到全量利用，无额外浪费。

28、支撑结构为仿腹板板状件，其轴向长度与上、下叶根板的长度一致，宽度与上下叶根板之间的间距匹配，完全填满二者之间的空隙，保证全长度范围内均有支撑；支撑结构通过树脂胶粘接固定于上下叶根板内壁，并在交接处进行玻璃纤维手工铺层补强，保证支撑结构与叶根板连接牢固，协同承载。

29、s7 交接处铺层增强：在梁板与叶根板的交接处表面，跨接叶片主体与叶根板手工铺放多层玻璃纤维布并涂敷树脂胶，固化后形成玻璃纤维手工铺层增强层，对交接区域进行补强；在手工铺层前，用可移除的保护塞封堵所有预埋螺栓套的开口，待铺层固化后取出。

30、梁板与叶根板的交接处是截面突变区域，易产生应力集中，也是裂纹易萌生的位置；通过跨接式手工铺层补强，可实现新老复合材料的一体化过渡，分散应力、抑制裂纹扩展，提升连接节点的疲劳性能与整体强度。增加保护塞步骤，可有效防止涂敷的树脂胶流入预埋螺栓套的内螺纹，避免螺纹堵塞导致的螺栓无法装配或预紧力下降等问题，确保原螺栓连接功能的完整继承。

31、增强层与原有复合材料基体形成化学交联与物理搭接，使交接区域的强度平滑过渡，避免刚度突变引发的应力集中；节点疲劳寿命可提升30%以上。

32、玻璃纤维布选用±45°双轴布或平纹布，该铺向可有效承担剪切与剥离载荷；共铺设4～8层，每层玻璃纤维布的尺寸逐层递增20～30mm，形成阶梯状搭接结构，阶梯式铺层可使增强区域的刚度逐步过渡，避免新的应力集中；每铺放一层涂敷一层环氧树脂胶并压实排气，固化后总厚度为2～4mm，保证纤维充分浸润，无气泡、缺胶缺陷。

33、s8 法兰装配连接：制备与目标风机轮毂接口适配的法兰板，利用上叶根板、支撑结构与下叶根板内保留的原有预埋螺栓套与配套螺栓，将法兰板与三者的端部端面同步固定连接，完成退役叶片的叶根再制造。

34、法兰板是再造叶根与目标轮毂的标准接口，通过定制法兰参数可适配任意规格的风机轮毂，彻底解决原叶根接口不匹配的问题；利用原有预埋螺栓套进行连接，无需在复合材料上新开孔，避免了钻孔引发的分层、应力集中等缺陷，且原螺栓结构经过设计验证，连接强度与可靠性有充分保障。

35、接口适配灵活，可覆盖不同功率等级的目标风机；螺栓连接复用原成熟结构，质量可靠、装配便捷，实现了原叶根连接功能的完整继承。

36、法兰板为圆形钢制结构，材质为q355及以上强度等级结构钢，满足风电结构的强度与疲劳要求；法兰板上的螺栓孔位置与原有预埋螺栓套一一对应，通过原有螺栓将上叶根板、支撑结构、下叶根板沿轴向夹紧固定为整体受力体系，使三层结构协同承载，载荷均匀分布，避免单层受力过载。

37、本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

38、1、本发明完整保留原有叶根段，剖切为上下叶根板与支撑结构，全部作为连接结构的核心构件，继承原有的复合材料层压结构与预埋螺栓套。原叶根是经过严格力学设计与型式试验验证的成熟结构，其复合材料强度、螺栓连接可靠性均有充分保障；现有废弃原叶根的方案直接浪费了这一高价值构件，而本方案实现了原叶根结构功能的100%继承。再制造过程材料利用率超过90%，远高于机械回收与废弃原叶根的方案；连接结构的基础强度不低于原叶根，可靠性优于新制连接结构。

39、2、本发明梁板端部加工为领结形榫头，叶根板内侧加工对应卯槽，嵌套粘接形成内嵌榫卯。普通平面搭接粘接仅依靠胶层剪切力承载，界面剥离即失效；领结形榫卯的凹腰结构形成天然机械互锁，轴向载荷下凹腰侧翼与槽体形成机械阻挡，可分担大量剪切载荷；同时领结形使粘接周长增加40%～60%，粘接面积大幅提升。连接节点的静强度提升50%以上，且具备失效安全特性，即使胶层局部老化损伤，机械锁合仍可保证连接不失效，安全冗余度大幅提升，完全满足风机交变载荷下的长期运行要求。

40、3、本发明预处理阶段完整保留腹板，叶根内部填充通长支撑结构，形成箱型和实心填充的复合截面。腹板是叶片截面抗剪与抗扭的核心，切除腹板会使叶根段抗扭刚度下降60%以上；内部空腔易在交变载荷下发生截面畸变与失稳，全填充支撑可将空腔转化为实体，显著提升截面惯性矩与抗失稳能力。改造后叶根段的抗剪、抗扭、抗压稳定性远优于无腹板、无填充的方案，可有效防止截面畸变与结构失稳，复杂载荷下的结构安全性更高。

41、4、本发明交接处阶梯式手工铺放玻璃纤维增强层，跨接梁板与叶根板。不同构件交接处是刚度突变区，易产生应力集中与疲劳裂纹；阶梯铺层可实现刚度的逐步过渡，分散局部应力，同时增强层与基体复合材料形成化学交联，成为结构整体的一部分。交接区域应力集中系数降低，节点疲劳寿命提升30%以上，有效抑制裂纹萌生与扩展，提升结构长期可靠性。

42、5、本发明利用原叶根本身的预埋螺栓套与螺栓连接法兰板，无需新开钻孔。复合材料现场钻孔易引发分层、劈裂等隐蔽缺陷，连接强度离散性大；原有预埋螺栓套是叶片制造时一体成型的，连接强度经过整机验证，可靠性远高于现场开孔连接。避免了钻孔对复合材料的损伤，法兰连接强度有原设计保障，装配便捷、质量稳定，长期运行无松动风险。

43、6、本发明裁切保留含完整叶尖的叶片主体，翼型、扭转、弦长等气动参数100%继承。叶片的发电能力由气动外形设计决定，叶尖段捕风贡献占全叶片的60%以上；破碎回收与短切方案均会破坏气动外形，而本方案完整保留了气动设计价值。改造后叶片发电效率可达同规格新叶片的95%以上，复用价值远高于材料级回收，经济效益显著。

44、7、本发明全程复用原有构件，仅增加少量胶与铺层材料，工艺环保无污染，最终产品性能达标。符合gb/t 28618-2012中再制造产品性能不低于新品、充分利用旧件、节能环保的要求，属于典型的再制造技术而非回收技术。相较于新制叶片，可节约80%以上的材料与能源消耗，无二次污染，符合双碳目标与循环经济发展方向。