風(fēng)電專用自爬式起重機(jī)總體方案

洪 郴 李鵬舉 韓吉超 史海紅 劉 彬

山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司 濟(jì)南 250102

1 風(fēng)電機(jī)組吊裝

風(fēng)能是一種清潔能源，具有可再生、分布廣、無污染等特點(diǎn)，且蘊(yùn)藏量巨大，因而越來越受到世界各國(guó)的重視。由于風(fēng)力發(fā)電既節(jié)能又環(huán)保，所以風(fēng)電行業(yè)前景廣闊。如圖1所示，大型風(fēng)電機(jī)組由塔筒、機(jī)艙、輪轂和葉片等組成，其自重大（機(jī)艙、輪轂等的自重在百噸以上），安裝高度高（安裝高度在百米以上），安裝和后期檢修維護(hù)的施工難度大。塔式起重機(jī)吊裝。其中，流動(dòng)式起重機(jī)吊裝（如履帶起重機(jī)、全路面起重機(jī)等）的缺點(diǎn)有：1）施工作業(yè)面大，需要較多輔助起重機(jī)，吊裝難度大，安裝成本高；2）吊裝高度高，起重機(jī)自身抗風(fēng)能力差，受天氣影響大，吊裝風(fēng)險(xiǎn)大；3）自重較大，自身運(yùn)輸難度大，對(duì)道路要求較高，特別是山地安裝，需要改擴(kuò)建道路。塔式起重機(jī)吊裝的缺點(diǎn)有：1）吊裝高度高，起重機(jī)自身抗風(fēng)能力差，受天氣影響大，吊裝風(fēng)險(xiǎn)大；2）需要塔式起重機(jī)在獨(dú)立工況下進(jìn)行，對(duì)整機(jī)性能要求較高。塔式起重機(jī)的自身安拆和爬升周期較長(zhǎng)，安裝和周轉(zhuǎn)效率低。本文針對(duì)以上吊裝方法安裝風(fēng)險(xiǎn)大、作業(yè)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)提出了一種風(fēng)電機(jī)組專用的自攀爬式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱起重機(jī)），并對(duì)其功能構(gòu)造、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)算。

圖1 風(fēng)電機(jī)組構(gòu)造示意

2 整機(jī)方案

風(fēng)電機(jī)組的吊裝方式基本分為流動(dòng)式起重機(jī)吊裝和

2.1 吊裝布置

大型風(fēng)電機(jī)組的主要吊裝工況為簡(jiǎn)節(jié)吊裝、機(jī)艙吊裝、輪轂和葉片整體吊裝，吊裝布置如圖2所示。

圖2 大型風(fēng)電機(jī)組各工況吊裝示意

2.2 整機(jī)組成

該起重機(jī)自身依附于塔筒筒節(jié)，隨著高度的增加沿塔筒筒節(jié)爬升，將整個(gè)大型風(fēng)電機(jī)組各部件（塔筒、機(jī)艙、輪轂和葉片等）吊裝就位，安裝完成后，起重機(jī)自身沿塔筒筒節(jié)下降，完成一整套風(fēng)電機(jī)組安裝作業(yè)。

如圖3所示，該起重機(jī)由塔身、爬升小車系統(tǒng)、承座、機(jī)臺(tái)、起重臂等組成。塔身由塔身結(jié)構(gòu)、支持臂、夾持臂、夾持座等組成，塔身結(jié)構(gòu)是整個(gè)起重機(jī)的支承結(jié)構(gòu)。支持臂用于連接夾持臂和夾持座，夾持臂在支持臂液壓缸作用下沿塔身滑塊伸縮動(dòng)作。夾持臂用于固定夾持座和銷軸，夾持座及銷軸在夾持臂液壓缸作用下沿夾持臂伸縮動(dòng)作。小車系統(tǒng)由上小車、下小車和小車液壓缸等組成，2組小車液壓缸連接上小車，上小車與下小車通過小車連接桿連接，小車液壓缸下端通過銷軸固定在塔身上，缸體上端通過小車液壓缸固定架固定在塔身上。小車依靠小車滑塊沿塔身上下移動(dòng)，小車銷軸液壓缸帶動(dòng)小車銷軸伸縮，完成小車銷軸的打開和閉合。

圖3 自爬式起重機(jī)總體方案簡(jiǎn)圖

2.3 功能原理

塔筒筒節(jié)為等高度結(jié)構(gòu)，每節(jié)筒節(jié)有若干層等間距的軸孔，每層軸孔共有3個(gè)軸孔，其中2個(gè)軸孔同軸，軸心通過筒節(jié)中心，另一個(gè)軸孔中心與前2個(gè)軸孔中心垂直，并通過筒節(jié)中心，3個(gè)軸孔中心貫穿于筒節(jié)中心點(diǎn)，如圖4所示。5點(diǎn)支承包括小車銷軸e點(diǎn)（或f點(diǎn)）、夾持座銷軸a點(diǎn)、b點(diǎn)、c點(diǎn)和d點(diǎn)，5點(diǎn)插入塔筒筒節(jié)軸孔為5點(diǎn)支承。6點(diǎn)支承包括雙小車銷軸2點(diǎn)支承和夾持座銷軸4點(diǎn)支承。爬升工況為2點(diǎn)支承和5點(diǎn)支承，爬升作業(yè)過程中雙小車2點(diǎn)支承、上小車5點(diǎn)支承和下小車5點(diǎn)支承交替進(jìn)行，吊裝工況為6點(diǎn)支承。

圖4 起重機(jī)爬升原理示意

爬升作業(yè)流程：起重機(jī)的爬升、下降通過小車和塔 身之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。爬升前，起重機(jī)處于上小車6點(diǎn)支承狀態(tài)，上小車銷軸和4個(gè)夾持座銷軸處于閉合狀態(tài)，在支持臂液壓缸的作用下，夾持座銷軸插入塔筒軸孔，雙小車銷軸處于閉合狀態(tài)（圖中F1）。在小車銷軸液壓缸的作用下，下小車銷軸收回并與塔筒軸孔脫離，下小車銷軸的位置f1點(diǎn)變?yōu)閒2點(diǎn)（圖中F2），此時(shí)主要載荷由上小車承受。

在支持臂液壓缸的作用下，4個(gè)夾持座銷軸液壓缸動(dòng)作，使夾持座銷軸由閉合狀態(tài)進(jìn)入打開狀態(tài)，夾持座銷軸脫離塔筒軸孔，此時(shí)起重機(jī)處于2點(diǎn)支承狀態(tài)（圖中F3），通過小車液壓缸的頂升作用，塔身相對(duì)雙小車向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)4個(gè)夾持座到達(dá)上一層踏步時(shí)，夾持座銷軸插入塔筒軸孔，完成抬升作業(yè)，一個(gè)踏步行程為h2（圖中F4）。

上小車銷軸由閉合狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)，在小車液壓缸的作用下向上移動(dòng)，上小車銷軸由e1點(diǎn)支承變?yōu)閑2點(diǎn)支承（圖中F5），此時(shí)主要載荷由下小車承受，至此完成一個(gè)上升工作循環(huán)。在整個(gè)爬升過程中起重機(jī)始終處于2點(diǎn)和5點(diǎn)支承狀態(tài)，起重機(jī)的下降過程作業(yè)流程與爬升過程作業(yè)流程相反。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 整機(jī)參數(shù)

大型風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)如表1所示，對(duì)應(yīng)該機(jī)組的起重機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

表1 大型風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)（6MW）

表2 起重機(jī)主要參數(shù)

3.2 設(shè)計(jì)流程

總體方案設(shè)計(jì)流程為：功能構(gòu)造→構(gòu)件初選→質(zhì)量初估→力學(xué)模型簡(jiǎn)化→內(nèi)力求解→構(gòu)件選擇→模型細(xì)化→實(shí)體計(jì)算→校核確認(rèn)→論證評(píng)審。

3.3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1）雙小車自身交替爬升方法 雙小車的同步和防脫，快速有效轉(zhuǎn)換。

2）全過程多點(diǎn)支承轉(zhuǎn)換及承載分析 爬升和下降過程，起重機(jī)2/5/6點(diǎn)支承的交替轉(zhuǎn)換，超靜定6點(diǎn)附著的載荷分配。

3）板殼結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定 塔身結(jié)構(gòu)為板殼結(jié)構(gòu)，且開孔較多，涉及圓殼薄板的局部穩(wěn)定和補(bǔ)強(qiáng)問題。

4）雙向大軸力和大行程液壓缸 臂架變幅液壓缸單缸軸壓力約為300 t，小車液壓缸單缸約為100 t，行程為10 m，涉及細(xì)長(zhǎng)液壓缸的整體穩(wěn)定性。

5）超長(zhǎng)構(gòu)件的加工制造 塔身長(zhǎng)度超過25 m，需要整體加工以保證結(jié)構(gòu)精度。

6）液壓穿軸軸孔同軸檢測(cè)和調(diào)整 該起重機(jī)液壓缸多，液壓系統(tǒng)動(dòng)作復(fù)雜，需要多缸同步動(dòng)作，遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作控制。

3.4 受力分析

力學(xué)計(jì)算坐標(biāo)定義如圖5所示，起重機(jī)2/5/6點(diǎn)支承受力模型如圖6所示。

圖5 坐標(biāo)定義

圖6 受力模型

在2點(diǎn)支承時(shí)，上小車銷軸受拉，承受軸向拉力；下小車銷軸在下小車的水平力作用下頂緊塔筒，承受軸向壓力，此時(shí)下小車銷軸液壓缸應(yīng)能提供該軸向壓力，通過構(gòu)造特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)的變形量來控制和分配6點(diǎn)支承的載荷。

3.5 理論計(jì)算

理論計(jì)算采用解析計(jì)算與有限元計(jì)算結(jié)合，桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算與實(shí)體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)合。解析計(jì)算宜參數(shù)化，修改參數(shù)即得結(jié)果，方便高效，有限元計(jì)算數(shù)據(jù)更精確、更接近實(shí)際。先采用桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算，再采用實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部分析，如圖7所示。

圖7 力學(xué)模型簡(jiǎn)化

起重機(jī)6點(diǎn)超靜定受力實(shí)際上是起重機(jī)自重工況和吊重工況（不及自重）載荷的疊加。塔身等主要部件的整體模型采用等效截面處理，保證輪廓尺寸、慣性矩相當(dāng)，使變形與實(shí)際接近，保證部件質(zhì)量相當(dāng)，使應(yīng)力與實(shí)際接近。

在2點(diǎn)爬升工況下，爬升小車銷軸承受軸向力。由于結(jié)構(gòu)剛性的原因，上小車受力大，下小車受力小。4點(diǎn)（a點(diǎn)、b點(diǎn)、c點(diǎn)、d點(diǎn)）受力較小，2點(diǎn)（e點(diǎn)、f點(diǎn)）受力較大。

4 部件設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)選型

起重機(jī)主要部件的構(gòu)件類型如表3所示。

表3 起重機(jī)結(jié)構(gòu)部件類型

4.2 塔身結(jié)構(gòu)

塔身結(jié)構(gòu)是整個(gè)起重機(jī)的支承結(jié)構(gòu)，支持臂用于連接夾持臂和夾持座，夾持臂在支持臂液壓缸的作用下沿塔身滑塊伸縮動(dòng)作。夾持臂用于固定夾持座和銷軸，在夾持臂液壓缸的作用下，夾持座及銷軸沿夾持臂伸縮動(dòng)作，如圖8所示。

圖8 塔身結(jié)構(gòu)局部

4.3 爬升小車

爬升小車系統(tǒng)由于構(gòu)造原因，如果是受拉液壓缸，只能是上小車提供拉力；如果是受壓液壓缸，只能是下小車提供頂力。如圖9所示，方案A（2缸方案）為雙缸上拉；方案B（4缸方案）為雙缸上拉雙杠下頂。

圖9 爬升小車可選方案

在方案A（2缸方案）中，2小車同步動(dòng)作，吊裝中需分離；在方案B（4缸方案）中，2小車單獨(dú)動(dòng)作。這2種方案行程相同，由于液壓缸缸桿長(zhǎng)細(xì)比的限制，50 t受拉缸和100 t受拉缸，缸桿的尺寸和質(zhì)量差別不大，同時(shí)受壓缸有失穩(wěn)的問題，故方案B（4缸方案）比方案A（2缸方案）自重大得多。

該起重機(jī)采用雙液壓缸下拉方案，爬升小車方案如圖10所示。小車系統(tǒng)由上小車、下小車和小車液壓缸等組成，2組小車液壓缸連接上小車，上小車與下小車通過小車連接桿連接，小車液壓缸下端通過銷軸固定在塔身上，缸體上端通過小車液壓缸固定架固定在塔身上。小車依靠小車滑塊沿塔身上下移動(dòng)，小車銷軸液壓缸帶動(dòng)小車銷軸伸縮，以完成小車銷軸的打開和閉合。

圖10 爬升小車方案確定

4.4 起重臂

起重臂采用液壓缸變幅，帶鷹嘴折臂結(jié)構(gòu)屬于壓彎構(gòu)件，其中受彎更明顯。變幅液壓缸的最小變幅力在最大傾覆力矩情況下，變幅力臂越大，變幅液壓缸的軸壓力越小。起重臂繞鉸點(diǎn)O1（臂架與機(jī)臺(tái)鉸點(diǎn)）傾覆，變幅力臂為鉸點(diǎn)O1至變幅液壓缸軸線的垂直距離，該垂直距離的最大值為鉸點(diǎn)O1和鉸點(diǎn)O2（變幅液壓缸與機(jī)臺(tái)鉸點(diǎn)）之間的距離O1O2。此時(shí)，變幅液壓缸處于豎直狀態(tài)，即變幅液壓缸在最大傾覆力矩情況下應(yīng)處于豎直狀態(tài)，如圖11所示。

圖11 起重臂與變幅液壓缸

4.5 液壓缸

該起重機(jī)所需液壓系統(tǒng)較復(fù)雜，由整機(jī)構(gòu)造、整體結(jié)構(gòu)計(jì)算可知各液壓缸的軸力和行程，液壓缸參數(shù)情況如表4所示。

表4 各液壓缸參數(shù)

5 吊裝和下降

吊裝作業(yè)為6點(diǎn)支承，2小車共2點(diǎn)，上小車在e1點(diǎn)，下小車在f1點(diǎn)，即2點(diǎn)塔筒筒節(jié)軸孔。夾持座銷軸a1點(diǎn)、b1點(diǎn)、c1點(diǎn)和d1點(diǎn)共4點(diǎn)，即4點(diǎn)塔筒筒節(jié)軸孔。

在吊裝工況時(shí)，上小車和下小車間距為h1，h1為2倍的h2，即上小車在塔身上端，下小車在塔身下端。

上小車與小車液壓缸連接，由小車液壓缸驅(qū)動(dòng)；下小車通過小車連接桿與上小車剛性連接，與上小車之間可拆卸；下小車又通過可調(diào)連接裝置與塔身剛性連接，與塔身之間可拆卸。若上小車與下小車分離，小車連接桿與上小車連接，與下小車脫開。上小車通過小車液壓缸作用頂升至塔身上端，下小車通過可調(diào)連接裝置固定在塔身下端。吊裝工況示意圖如圖12所示，起重機(jī)自身降落工況示意圖如圖13所示。

圖12 各吊裝工況

圖13 起重機(jī)下降

6 塔筒校核

塔筒的設(shè)計(jì)和校核應(yīng)滿足GB 50135—2019 《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。塔筒的設(shè)計(jì)和校核主要有3部分：起重機(jī)吊裝輪轂和葉片工況時(shí)塔筒的整體穩(wěn)定性，塔筒長(zhǎng)細(xì)比等滿足規(guī)范要求；起重機(jī)附著處的筒節(jié)，2/5/6點(diǎn)支承下筒節(jié)的強(qiáng)度和局部穩(wěn)定性；起重機(jī)附著筒節(jié)與下層筒節(jié)連接處的螺栓群和塔筒底層螺栓群的強(qiáng)度，各工況下每層筒節(jié)連接處所承受的載荷類型和大小不同，螺栓群受力也不相同。

7 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組提出了一種附著筒壁的自攀爬式起重機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)方案其優(yōu)缺點(diǎn)有：

1）體積緊湊 部件尺寸小、數(shù)量少，結(jié)構(gòu)緊湊，相對(duì)質(zhì)量較輕。

2）運(yùn)輸方便 對(duì)風(fēng)場(chǎng)道路要求低，容易運(yùn)輸和轉(zhuǎn)場(chǎng)。

3）拆裝便捷 安裝和拆除占用場(chǎng)地小，主要部件之間通過銷軸連接，安裝、拆除便捷。

4）吊裝安全 起重機(jī)有效附著于塔筒，受風(fēng)載影響小，安全可靠。整機(jī)高度低，吊載下起重機(jī)頂部位移小，整機(jī)穩(wěn)定性好，能有效控制吊物（或塔筒）與起重機(jī)本體之間的距離，安全性高。

5）經(jīng)濟(jì)性好 機(jī)組高度越高，相對(duì)成本越低?？捎糜诤笃陲L(fēng)電機(jī)組的維修。

6）缺點(diǎn) 筒節(jié)開口圓柱板殼結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度和穩(wěn)定問題，需要對(duì)塔筒筒節(jié)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，筒節(jié)局部開孔加強(qiáng)和封堵等。