風電吊裝全地面起重機高聳臂架的優化設計分析

武彥陽，張 哲，馬樂樂

河北建投張家口風能有限公司，河北 張家口 076650

地面起重機具有技術含量高、性能好的特點，其發展和應用給行業帶來了巨大的變化，有著光明的應用前景，因此國內外將該類機械作為重點發展的對象。由于起重機技術難度較大、價格較高，導致其推廣受限，但是經過產品的研發和設計的精進，全地面起重機逐漸得到了廣泛的應用。雖然我國對于該技術的應用起步較晚，但是發展迅速，不斷引進先進技術進行改良，創造出了獨特的運營和應用模式，為該技術在我國的大力發展奠定了良好的基礎。

1 風電吊裝專用臂架組成及參數

案例工程為西北部地區某省內的風電吊裝工程，該風場位置海拔較高，氣候條件和安裝場地對工程影響較大。該風電吊裝工程中，臂架結構采用的是專用臂架。因此，文章針對專用臂架結構進行分析。

1.1 專用臂架組成

該工程所用的臂架為實腹式主臂+桁架式延伸節，專用臂架主要有主臂臂頭、專用副臂及支架、前后拉板。

（1）主臂臂頭。主臂臂頭的作用是使專用副臂和副臂支架結構進行連接，并且能夠起到支撐的作用。

（2）專用副臂。專用副臂是通過對結構進行焊接或者鉸接連接起來的，通常由可變截面桁架組成，在薄弱部分，桁架填充在桿內，使整個副臂變得更加堅固，有助于提高二次臂的提升能力。因此，在進行專業副臂設計時常采用變截面的桁架。

（3）副臂支架。支架底座與起重機主臂上部和支架底座成鉸接的模式，鉸接的模式可以當作是前后牽引板的支撐，使移動臂維持住自身的平衡。二次支架在拉板作用下承受軸向力，力狀態的變化可根據副臂支架的安裝角度和長度進行適度的優化。

（4）前后拉板。前后拉板的主要作用是通過自身的變化來平衡風電吊裝專用臂架和起重機原有臂架。在起重機運行過程中，前后拉板僅承受軸向拉力，而不承受彎矩和軸向壓力。

1.2 專用臂架設計參數

風場位置高，專用臂架基本上都是在海拔較高的地方才會應用到，因而安裝過程受場地和氣候的影響，在進行風電吊裝時對起重機的要求較高。案例工程所選位置的海拔高度為2000～2600m，結構中心輪高度為85m，發電機重量為39.1t，葉片直徑分別為77m和82m，風電機組單機容量為1.5MW。專用臂架的設計參數包含了長度、支架長度、安裝角度等，具體參數如表1所示。

表1 參數取值表

2 全地面起重機臂架模型建立

2.1 模型建立

利用有限元對臂架進行分析，步驟如下：（1）根據實際狀態對研究對象建立模型。（2）將研究對象分割成若干個單元體，單元結構均勻、簡單。這個過程被稱為離散的統一過程。（3）通過每一單元的求解來實現連續單元的求解。（4）多個單元需要嚴格按照一定的順序和組合方法進行細分，并通過新的組合進行幾何組織，主要目的是近似表示對象的實際情況。（5）用數值方法建立的系統可以通過求解線性方程組來求解復雜的偏微分方程。（6）通過軟件可以將計算結果自動計算出來，再通過實際狀況對結果進行處理和驗證。采用ANSYS軟件建立專用臂架的模型，如圖1所示。

圖1 風電吊裝專用臂架模型圖

2.2 荷載組合

額定起升荷載：緊密依托起重機荷載和吊索的現實要求，假定最大起動重量為70t，沖擊系數為1.03，則起吊荷載為271000N。

自重荷載：模型建立時，在命令流對材料的單元屬性進行定義，重力加速度g取9.8m/s2。導致起重機臂架振動的原因較多，主要有電機振動、負載滯后、風荷載等，因此需盡量避免外部因素影響，才能使共振發生的可能性較小。

工作狀態風荷載：由前文可知，起重機的工作環境為高海拔地區，風力影響較大，計算過程中對風荷載的影響不可忽略。

貨物偏擺荷載：在回轉平面內荷載情況按照最不利情況進行相應的組合。由計算可知起吊荷載為721000N，吊裝偏擺荷載為25177.8N。

3 臂架有限元模型分析

對起重機臂架前6階模態進行分析可得頻率以及振動幅度的變化，如表2所示。

表2 模態分析 單位：Hz

（1）發動機的工作頻率。計算公式如下：

式中：f1為發動機的自身頻率，Hz；n為發動機的轉速，r/min。計算結果表明，當電機額定轉速達到2200r/min時，電機本身的頻率為36.67Hz，高于計算的動臂頻率，由此可知電機的轉速不太可能引起動臂共振。

（2）貨物偏擺。計算公式如下：

式中：f2為吊重的擺動頻率，Hz；l為吊重與吊鉤距離，m。

通過參數參考可知l的取值范圍為5～20m，重量的振蕩頻率在0.112～0.223Hz。這些值介于1階和3階頻率之間，因此負載偏差會導致動臂共振。為了防止發生這種現象，起重機運行時應保持平穩，減少振動對臂架的影響。

（3）氣象框架的主要功能是探測風場環境中的氣流和溫度。氣象籠通過與起重機的固有頻率進行比較來檢測風力頻率，從而避免作業時因風荷載而產生共振現象。

4 優化設計

根據上述分析，主要對設計變量、狀態變量、目標函數三個主要基礎因素進行優化設計。在進行優化設計之前，必須建立完整的有限元分析過程，主要工作包括建立模型、制作網格以及對結構施加相應的荷載、添加約束條件并求解、分析應力應變、對結果進行分析判斷并處理。最后，通過對分析過程的保留，促進設計過程的循環優化。ANSYS軟件優化的基本流程如圖2所示。

圖2 優化流程圖

通過優化設計可知，專用副臂和主臂以及桁架臂等的結構大小已更改。優化后，主臂輸出截面增大，其他元件優化后的質量將會減小，具體數值變化如表3所示。

表3 桿件截面參數變化表

因為桿件的截面尺寸發生了變化，所以桿件的質量也會發生改變。優化后的前臂保持架重量估計為19520kg，后臂保持架重量估計為16850.36kg，質量損失約為13.68%。

5 結論

文章通過對起重機臂架的設計以及優化得出以下結論：（1）專用臂架主要由主臂臂頭、副臂支架、前后拉板組成，其設計參數主要有重量、尺寸、安裝角度等。（2）通過分析臂架設計可知，對臂架工作狀態影響程度較大的有自重荷載、風荷載以及貨物偏擺荷載。