自制多功能焊接機架在風力發電機組塔架焊接中的應用

朱鍇年

（中國水電四局（酒泉）新能源裝備有限公司，甘肅酒泉735000）

自制多功能焊接機架在風力發電機組塔架焊接中的應用

朱鍇年

（中國水電四局（酒泉）新能源裝備有限公司，甘肅酒泉735000）

通過對傳統風電機組塔架焊接生產線不足的分析，介紹了兩種用于風力發電塔架外側焊縫焊接的焊接輔助設備，一種是利用車間廠房立柱用于風電塔架外側焊縫焊接的多功能焊接機架，另外一種是龍門式風電塔架焊接支架。該套輔助設備具有結構簡單，操作方便，場地占用極少，使風電塔架焊接作業生產效率更高、生產成本更低、高空作業安全風險降低等優點，對風電塔架生產具有很積極促進的作用。

風力發電；機組塔架；輔助設備；焊接；研制；應用

風能是一種干凈的可再生能源，在我國分布十分豐富。風力發電具有不需要燃料、不占耕地、沒有污染和運行成本低的顯著優勢，近年來風力發電產業發展迅速，前景非常廣闊。風電機組塔架是支撐發電機組的關鍵設備，主要起支撐并吸收機組振動的作用。在風力發電塔架的制造中，焊接是最重要的工序之一，目前均采用埋弧自動焊焊接。埋弧自動焊焊接應用范圍廣、作業面積大、工作量大、技術要求高，是產品質量控制的重中之重，也是企業成本和進度控制的重點，同時由于風電塔架外形巨大，外縫焊接時存在高空作業，所以也是安全管理中不容忽視的一項工作。

風電塔架筒體的縱、環縫采用埋弧自動焊焊接［1］，對焊接環境的要求較高，在車間廠房內施焊是風電塔架制造的必然要求。風電塔架形體尺寸大，通常，縱、環縫外側和外側焊縫的焊接要在水平位置施焊就必須依賴特殊的專用工位、工裝和設備來完成。本文對傳統風電機組塔架焊接生產線不足分析，研制了兩種用于風力發電塔架外側焊縫焊接的焊接輔助設備，克服了傳統風電塔架生產線不足，并提高了生產效率，降低了生產成本。

1　傳統風電機組塔架焊接生產線分析

1.1利用十字臂式焊接操作機焊接

風電機組塔架焊接生產線一般制造廠家大多采用十字臂式埋弧焊接［2］（（見圖1），由懸臂式埋弧操作機和在地面上固定的行走軌道組成。但當多個作業面同時生產（見圖2），地面需安裝布置多臺懸臂式埋弧操作機的軌道，縱焊、環焊的工件全部都堆疊存放在一起時，現有的懸臂式焊接支架便出現了一些問題。

圖1　十字臂式焊接操作機

圖2　十字臂式焊接操作機施焊原理

（1）需要在塔架側面平行布置軌道并留足操作機的旋轉空間，場地占用較大；

（2）需要操作人員站在架體頂部操作，移動不靈活、作業人員高空作業、回轉余地小，存在高空作業安全隱患；

（3）沒有足夠放置焊劑回收機的平臺，焊劑無法及時回收，浪費嚴重；

（4）設備自身造價昂貴，成本投入較高。

（5）在規模化生產中會極大地制約了生產進度和安全生產。

1.2直接將小車放置在筒體頂部焊接

在實際風電塔架生產中，還有利用滾輪架將筒體縱縫旋轉到頂部之后，操作人員直接在筒體頂部鋪設埋弧焊小車軌道后施焊。存在以下不足：

（1）人、機均處在高空危險環境下，無安全防護措施，存在高空跌落的安全隱患；

（2）受作業條件影響，操作困難，效率低下；（3）焊劑無法及時回收，浪費嚴重。

2　風電機組塔架焊接輔助機架設計

我公司充分借鑒國內外同類機型制造技術，結合公司技術裝備，研制開發結構合理、適應性強、具有較佳性價比的風電塔架焊接輔助設備。

2.1用于風力發電塔架外側焊縫焊接的多功能焊接機架

為解決傳統焊接設施存在的問題，提高工作效率，增強安全性能，合理利用資源，結合生產車間的結構形式，依托廠房的鋼結構立柱，設計制造了用于風力發電塔架外側焊縫焊接的多功能焊接機架，機架的工作原理示意圖如圖3所示。

圖3　用于風力發電塔架架體外側焊縫焊接的多功能焊接機架結構示意圖（立面圖）

該機架包括固定在車間廠房立柱上的頂部軌道、機身、平臺升降系統、升降平臺、埋弧焊機和放有風電塔架的焊接滾輪架；機身頂部滾輪以布置在廠房立柱上的H型鋼為行走軌道，地面上鋪設了底部行走軌道，機身下部設有行走電機，可帶動機架在軌道上水平移動，機身上設有與可升降平臺相連接的平臺升降系統，埋弧焊小車放置在可升降平臺上，焊接滾輪架設在升降平臺的下方。

頂部軌道通過與其適配的頂部滾輪與機身相接，底部軌道通過與其適配的底部行走輪與機身的底部相接，通過行走電機的帶動，機架可沿軌道水平行走。

平臺升降系統包括柔性鋼索、定滑輪和電動葫蘆。電動葫蘆、定滑輪分別設在所述機身的上部，平臺、平臺配重通過柔性鋼索纏繞在升降系統的滑輪上，電動葫蘆沿垂直方向通過鎖鏈與平臺相連接，升降平臺通過兩側的導向輪與機身相連，當操作人員按下電動葫蘆的升降按鈕時，平臺可在垂直方向上自由升降來調節工作高度。

升降平臺導向輪與機身之間設有安全鎖緊裝置，當電動葫蘆失靈時，鎖緊裝置會自動啟動阻止平臺在垂直方向上的運動，有效保護人機安全。

升降平臺（如圖4所示）包括平臺支撐、平臺護欄和花紋面板，平臺支撐采用槽鋼和角鋼的框架結構，在框架結構上覆蓋花紋鋼板，花紋鋼板四周設有平臺護欄，并在花紋鋼板上預留有交叉設置的縱向和橫向的長方形焊接口，焊接口上對應設有縱縫焊接小車軌道、環縫焊接小車軌道，既可以用于單節架體的外縱縫焊接，又可以用于整段塔架的外環縫焊接，平臺空間大，可放置弧焊小車、焊劑回收機等其他設備，并可容納兩名以上操作人員，周邊護欄可為操作人員提供可靠的安全防護。

圖4　機架升降平臺結構示意圖（俯視圖）

在機身底部設有電動行走系統，可以使焊接機架沿軌道水平移動，將焊接機架移動至風電塔架待焊接外壁焊縫部位，焊接裝置行走鎖定，焊接滾輪架帶動塔架以一定方向和速度轉動，焊接機架就可以完成外壁環縫焊接，焊后沿架體的軸線移動下一處環縫焊接，這樣可以完成塔架所有焊縫的焊接。

將待焊單節架體的縱縫調整至水平狀態，焊接機架移動至單節待焊架體處，升降平臺長方形焊接口能夠覆蓋單節架體的縱縫，焊接小車從一端沿軌道移動速度移動，根據工藝重復以上操作，便可完成外縱縫焊接。

2.2龍門式風力發電塔架焊接支架

針對沒有廠房車間立柱工位的焊接，設計架設了多功能外縫焊接機架，利用自制的龍門式風力發電塔架焊接支架［3］，人員和焊接設備在龍門架頂部平臺上進行操作施焊，機架的工作原理示意圖如圖5所示。

圖5　龍門式風力發電塔架焊接支架結構示意圖

龍門式風力發電塔架焊接支架，包括設有行走輪的支架、升降平臺、焊渣回收箱和滾輪架。使用時，將需要焊接的風力發電機組塔架置于兩根相互平行的行走輪支撐梁7之間的滾輪架，啟動錐齒輪減速機驅動行走輪將龍門式風力發電塔架環縫焊接支架移動到塔架焊接部位，啟動環鏈及電動葫蘆11中的電動葫蘆，然后驅動環鏈調整升降平臺5至合適的焊接高度，在焊接滾輪架做塔架旋轉運動的配合下，即可以開始焊接，焊接完畢后龍門式風力發電塔架環縫焊接支架可以方便地移動到下一個焊縫或者不妨礙塔架吊裝的位置，這時如果需要對已焊完的焊縫需要處理打磨，可以在伸縮平臺6上進行。

支架內設有升降平臺，該升降平臺上設有伸縮平臺；支架的下部設有回收箱；升降平臺的四個角部與所述支架頂部之間均設有與所述支架相連的導軌，該導軌上均設有滑套；相鄰兩個滑套之間設有鎖緊機構；支架與所述升降平臺之間設有爬梯，且該升降平臺上設有防護欄。

龍門式風力發電塔架焊接支架由四個立柱、兩根相互平行的行走輪支撐梁、橫梁、橫桿及斜支撐構成。兩根行走輪支撐梁的底部兩端均分別設有行走輪，其上部兩端均分別設有四個支撐桿，該四個支撐桿的頂部設有橫梁，四個支撐桿的上部通過斜支撐與所述橫梁相連，之間設有斜支撐，四個支撐桿與鎖緊機構相連；行走輪支撐梁上同側的支撐桿之間設有回收箱，行走輪支撐梁與升降平臺之間設有爬梯，升降平臺通過環鏈及電動葫蘆與支架頂部相連；行走輪上設有環形凹槽，該環形凹槽的寬度與軌道的軌面相適配；導軌通過導軌固定件與支架相連，四個支撐桿的頂部通過支撐板與橫梁相連。

2.3電氣控制

電氣方面的設計主要是針對以上兩種焊接裝置提高平臺水平方向，垂直方向和旋轉功能上來控制。考慮到現場操作使用環境、操作工的安全性和操作的便捷性，平臺采用遙控的控制方式，并且通過遙控器啟動功能控制該設備的控制總電源開啟來增加電器操作安全性。水平方向和垂直方向上利用四個限位接近開關，來限制前進后退和上下的位置，以保證操作和設備的安全。

3　應用效果分析

研發的風力發電塔架架體外側焊縫焊接的多功能焊接機架和龍門式風力發電塔架環縫焊接支架已大量投入使用。

3.1用于風力發電塔架外側焊縫焊接的多功能焊接機架

公司研制的用于風力發電塔架外側焊縫焊接的多功能焊接機架，制造調試后，基本性能參數如表1所示，在生產得到廣泛應用，如圖6所示。

表1　用于風力發電塔架外側焊縫焊接的多功能焊接機架性能參數表

圖6　用于風力發電塔架架體外側焊縫焊接的多功能焊接機架應用圖

我公司在酒泉千萬千瓦級風電基地一期工程和新疆哈密風電場建設中的風電塔架設備制造中都應用了風電機組塔架制造輔助成套設備，在制造過程中實現了風電塔架制造的機械生產流程控制，提高了風電塔架制造的質量保證能力，提高了生產效率使工人勞動強度降低，場地使用效率提高，提高了產能。該設備與傳統焊接設備［4］技術相比具有以下顯著優點：

（1）由機架利用生產車間廠房立柱布置，因此，不但提高了穩定性，而且也減小因機架本體顫動對焊接的不利影響，保證了焊縫質量。

（2）本機架架設在廠房立柱之上，不需占用專用場地，大大節省了生產場地。

（3）由于本機架設有垂直升降系統，可通過垂直升降調節方便的工作高度，通用性強。因此，可以滿足生產不同規格的風電塔架外壁焊縫焊接，即大小直徑的塔架都可以在一個機架上進行施焊，從而大大提高了工作效率，相比較其他支架工作效率能提高40%左右。

（4）由于本機架在升降平臺焊接設備待焊部位預留有縱橫交叉的長方形焊接口，且焊接口上分別設有縱縫焊接小車軌道、環縫焊接小車軌道，因此，可以同時滿足風電塔架外環縫和外縱縫焊接，提高了使用效率。

（5）由于機架升降平臺空間大，因此，可以滿足放置焊劑回收機等焊接輔助裝置，可及時回收焊劑，避免了因回收不及時造成的浪費，僅僅在這一項上每年就可為公司節約1%的生產成本，降低了成本，真正做到了節能增效。

3.2龍門式風力發電塔架焊接支架

龍門式風力發電塔架焊接支架在860余臺風電塔架設備制造中，提高了生產安全保證能力，降低了安全風險，該設備與傳統焊接設備技術相比具有以下顯著特點：

（1）由于焊接支架由四個立柱、兩根相互平行的行走輪支撐梁、橫梁及斜支撐構成，形成龍門式立柱布置，因此，不但提高了穩定性，而且也減小因支架本體顫動對焊接的不利影響，保證了焊縫的成形質量。

（2）由于升降平臺通過環鏈及電動葫蘆與支架頂部相連，因此，使用方便快捷，可根據焊接件高度自由調整，滿足生產不同規格的風電塔架外壁環縫焊接，即大小直徑的塔架都可以在一個支架上進行施焊，從而大大提高了工作效率。

（3）由于升降平臺上設有防護欄，且設有鎖緊機構，因此，可以有效地保護人機安全，預防安全事故的發生。

（4）由于設有伸縮平臺，因此，當一條環縫焊接完成后焊接下一條時，利用伸縮平臺進行前面焊縫的處理工作，在此平臺上完成多道工序的工作，從而大大縮短了工作時間，降低了成本。

（5）由于行走輪上設有環形凹槽，該環形凹槽的寬度與軌道的軌面相適配，因此，可以防止脫離軌道或者跳出軌道。

4　結束語

用于風力發電塔架外側焊縫焊接的多功能焊接機架和龍門式風力發電塔架環縫焊接支架結構簡單，方便實用，既能焊接架體的環縫，又能焊接縱縫焊縫。該輔助設備造價低廉，操作方便，使用更可靠、生產效率更高、生產成本更低、高空作業安全風險降低。自公司2009年建廠初期設計制造使用，累計焊接塔架設備1500余臺，制造的質量、進度、安全及成本控制方面優勢明顯，使用效果良好，為公司創造了良好的經濟效益，并獲得國家專利。

［1］梁建明，馬曉欣，劉麗娟，等.風力發電機組塔筒焊接制作工藝［J］.焊接技術，2010，39（12）：68-69.

［2］石南輝，吳犇，郝亮.厚壁大直徑風塔的焊接［J］.電焊機，2012，42（8）：17-19.

［3］朱鍇年，張陽勇，董貴林，等.龍門式風力發電塔筒環縫焊接工裝［P］.中國：201420563709.8，2014-9-28.

［4］中國機械工程學會焊接學會．焊接手冊［M］．北京：機械工業出版社，2001．

PracticalApplication of Homemade Multifunction Welding-Frame forManufacturing ofW ind Turbine Tower

ZHU Kai-nian
（Sinohydro Bureau4（JiuQuan）New Engergy Equipment Co.Ltd.，Jiuquan Gansu 735000，China）

Based on the defect analysis to welding production line ofwind turbine tower，we developed two kind of auxiliary welding-frames.One is external circular seam welding-frame which takes advantage of the plant pillar. Another is gantry type welding-frame.Structurally simple，easy operation，saving room，the new frames have increased the efficiency，reduced production cost，lowered risk of occupations at elevated heights，and which have greatly improved themanufacturing ofwind turbine tower.

wind power generation；turbine tower；auxiliary equipment；welding；develop；application

TG431

B

1672-545X（2016）05-0170-04

2016-02-10

朱鍇年（1974-），男，甘肅張掖人，高級工程師，在讀工程碩士，主要從事新能源裝備和大型鋼結構工程制造安裝技術研究工作。