風電塔筒蓋板防回落用保護裝置的研制與應用

馮東東 許子超 王大海

摘要：為解決在役風電塔筒用蓋板回落而造成的登塔作業人員的安全問題，本研究通過計算及結構分析設計蓋板防回落保護裝置，利用SolidWorks軟件對其進行三維建模及運動仿真，驗證該設計的可行性。結果表明，回落伸縮保護裝置能夠很好地滿足塔筒蓋板使用工況的要求，能夠很有效地保護作業人員的人身安全，可以為安全生產保駕護航，以供參考。

關鍵詞：結構設計；平臺蓋板；防回落；氣壓桿

DOI：10.12433/zgkjtz.20233435

風電塔筒是風力發電的塔桿，在風力發電機組中主要起支撐作用，同時吸收機組震動。近年來，隨著風電行業的快速發展，風電塔筒已成為國內外風電裝置的重要組成部分。目前，風機塔筒在每段塔筒連接處均設置平臺，每層平臺均預留平臺通道，主要用于供工作人員風機塔筒內安裝和維護風機塔筒。然而，登塔工作人員在風電塔筒中通行作業中存在許多安全隱患，例如，平臺蓋板回落可能會砸傷工人頭部。傳統塔筒平臺蓋板的開閉方式是需要運維人員在登塔作業時頻繁手動打開和關閉蓋板，不僅會消耗工人大量體力，也容易導致運維人員疲勞，從而使得蓋板未閉回落傷人事故發生率較高。另外，在運維人員穿過平臺蓋板時，蓋板可能由于風力等晃動回落，導致身體磕碰。因此，工作人員從塔筒底部爬到頂部維護，除了具備扎實的專業技能外，人員自身安全也要特別注意，避免發生蓋板回落事故而傷人損財，增加風力發電機的維護成本。

為了提高塔筒通行作業效率，解決傳統手動開閉存在的蓋板回落造成傷人風險的問題，本文通過結構設計與受力分析，開發一種風電塔筒蓋板用伸縮保護裝置，其安裝使用后能保障運維人員在塔筒升降作業時的安全性和可靠性，為行業發展提供有力保障。

一、防回落裝置的方案設計

本文基于《機械設計》的相關內容，提出一種方便實惠的風電塔筒平臺蓋板防回落裝置的設計方案，蓋板防回落裝的置整體結構圖如圖1所示。此裝置主要由固定底座、鏈接支架、伸縮氣壓桿、鉸鏈等部分所構成，主要利用氣壓桿穩定伸縮升降的原理，作業人員通過升降梯后對蓋板施加一定作用力才能使蓋板閉合，防止因震動或風力等造成回落，保證工人通行安全。此裝置的特點是結構簡單、工藝性好、安裝方便，在狹小空間內滿足使用需求，基本不占用通行作業人員的活動空間。另外，此裝置使用起來方便快捷，無需專業技能，工作人員只需按照說明進行操作就能輕松掌握。

1—平臺蓋板；2—鏈接支架；3—伸縮氣壓桿；

4—底座支架；5—鉸鏈；6—固定底座

二、伸縮氣壓桿設計

在本裝置中，伸縮氣壓桿可以防止蓋板回落，是由載荷柱和活塞桿兩部分組成，如圖2所示。載荷柱直徑較大，用于支撐蓋板的重量，活塞桿是連接載荷柱和活塞的部分，直徑較小，用于傳遞和調節壓力。根據風電塔筒里面的環境，載荷柱的材質選擇鋁合金，活塞桿的材質選擇不銹鋼。在氣壓桿載荷柱內部壓入的是惰性氣體，使其具備支撐、緩沖、制動、高度調節等功能。工作原理是：載荷柱套筒內充滿氣體后，因活塞上有一節流小孔，使活塞左右兩腔壓力相等，活塞的運動是按差動原理工作的。在本裝置中，氣壓桿起到阻尼彈簧的作用，當打開蓋板時，活塞將向左端移動，右腔受力大于左腔受力，在氣壓作用下平臺蓋板呈現打開狀態，并防止回落。當人員通過后用手力施加一個較大的力，可以使活塞克服左腔壓力并緩慢移動到右端位置，這時可以用機械結構將載荷鎖緊，使之固定。本文針對所研究風電塔筒平臺蓋板的實際尺寸，考慮氣壓桿的有效行程，最終設計伸縮氣壓桿的尺寸如圖3所示。其中，載荷柱套筒外直徑為50mm，注入壓縮氣體的壓力為5.10kgf/cm2，套筒內活塞面的截面積為7.07cm2，氣壓桿能產生的理論推力約為36kgf，此推力值滿足設計要求。

三、裝置受力分析

風電機組塔筒平臺蓋板大多是規則的長方體，會根據爬梯位置和安裝護欄在邊部開制不同規則的缺口，但蓋板的總體重量相差不大。蓋板所用材料為Q235b鋼材，蓋板厚度為5mm，一般蓋板的長、寬約為1100mm×600mm，重量約為25.7kg。設計的防回落裝置結構如圖4所示。蓋板、支架和氣壓桿大致構成一個三角形受力結構，如圖5所示。其中，w為蓋板重力，F為氣壓桿作用于蓋板法線上的推力，FX和FY分別為支架對蓋板水平和垂直方向上的作用力，受力關系可由公式（1）和（2）表示：

假設蓋板與平臺夾角θ由90°偏轉為75°，即蓋板合上15°，在這種條件下，線段AB為550mm，線段AC約為530mm，w為252N，代入到公式（1）和（2）中聯立方程組，計算得出F 的值為186N，約為19kgf，小于伸縮氣壓桿的理論推力36kgf，說明即使蓋板因塔筒振動或風力等原因偏轉15°，也不能克服裝置的推力而發生回落。同理計算其他幾種蓋板角度，結果表明在所有角度下蓋板對氣壓桿所施加的伸縮方向的反推力都小于理論推力值，可以保證蓋板在不施加一定外力手動作用下不會發生回落。

四、三維數字建模分析

利用SolidWorks三維建模軟件設計平臺蓋板防回落裝置。為了保證本設計的可行性，采用SolidWorks軟件對平臺蓋板防回落裝置進行三維建模，如圖6所示，完成了整體的裝配，并進行簡單的運動姿態模擬仿真，實現蓋板的轉動、閉合和氣壓桿伸縮等功能，蓋板開合過程不存在障礙位置，氣壓桿伸縮通暢。

蓋板防回落裝置采用了高強度的材料和堅固的結構設計，可以承受較大荷載，能有效防止蓋板回落，提高工作效率，而且本裝置安裝簡單，無需對風機平臺進行焊接等動火作業，因此，使用起來更加方便快捷。通過底座支架、伸縮桿和鉸鏈的配合作用，降低轉動件損壞性，延長了蓋板的使用壽命。從結構設計角度看，該技術的使用無需對平臺進行大量的改造工作和材料處理，不會產生很多廢棄物，減少了對作業環境的影響。除此之外，該技術的優勢還體現在風電塔筒的通行作業中，也可廣泛應用于各種高空作業，避免發生墜落事故，保障高空作業人員安全，提高施工效率。

本裝置在通遼國華代力吉風電場的風機塔筒平臺獲得了實際安裝應用，共安裝了198臺風機塔筒里面的平臺蓋板，施工后的裝置如圖7所示。此蓋板防回落裝置的安裝只需1根伸縮氣壓桿、2個底座支架和幾顆螺絲釘，無需改造風機平臺，減少了材料浪費，對環境友好。實際安裝效果表明，裝置可以滿足塔筒蓋板使用工況，能有效保障作業人員安全，減少事故發生。

五、結語

綜上所述，為了解決由于役風電塔筒平臺蓋板回落而造成的登塔作業人員的安全問題，本研究通過結構設計和優化分析后研制了一種蓋板防回落保護裝置，該裝置結構簡單，實用又經濟，便于安裝。經過實際安裝測試，該裝置滿足塔筒蓋板使用工況的需求，可以很好地保護好作業人員的安全，能為安全生產保駕護航，提升整個作業流程的安全性和可靠性。

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