喜欢就关注我们吧！作者：孙永胜摘 要：为解决复杂地形环境下更高更大风力发电机组吊装的难题，开发出设置侧拉装置的高机型大柔度起重设备，满足125 m 轮毂中心风电机组的吊装，其塔身与起重臂均采用4 节伸缩腹杆插销连接桁架结构，利用双变幅机构实现起重臂的自扳起，更加贴合风电建设市场的发展需求。制作了等比例缩比模型，模拟验证预加载结构的受力原理。对该起重机进行高等非线性分析，并用大型通用有限元软件建立实体模型，验证组合臂架起重机整体结构计算方法，指导工程实践。0 引言风能资源具有可再生、永不枯竭、无污染等特点，综合社会效益高，且风电技术开发成熟，成本低廉。作为清洁能源，风电领跑我国绿色能源成长，承担节能减排的重任。国家大力推进风电项目建设，按照统筹规划、生态优先、集散并举、有效利用的原则，加强风能资源勘测开发，鼓励符合条件的区域建设大型风电基地，因地制宜推动分散式风电开发。风力发电技术不断提高[1]，风速达到2.5 m/s 即可起动，达到4.5 m/s 就能正常运行，达到9 m/s 就能满负荷运行。在应用到沿海、山地、高原地区之后，风力发电开始进军风速较小的平原地区。2018 年全国风电新增并网容量2 059 万kW，累计并网容量达1.84 亿kW，占全国电源总装机容量的9.7%，连续9 年位居全球第一。为了解决复杂场地风电机组的吊装难题，研发人员开发出QLY 系列风电起重机。新型的QLY1760 型轮胎起重机主要适用于丘陵、山地、平原等复杂地形环境下的陆上3.0 MW 及以下风电机组的吊装，也适用于风电场后期的检修、维护、保养，为风电建设市场的发展带来变革，注入新的活力。1 研发背景QLY1560 型轮胎起重机[2] 最大起重量为100 t，最大起升高度为100 m，满足90 m 轮毂中心、2.5 MW 以下风电机组吊装，特别适用于山地风电场，累计完成2000 余台风电机组的吊装，创立了山地风电机组吊装绿色施工工法[3]，依托大坡度、窄路面、小机位山地风场施工核心技术，实现了绿色风电、绿色施工。图1、图2 分别为QLY1560 型轮胎起重机的工作状态和转机位行走状态。图1 工作状态随着风力发电技术的不断发展和风电开发的不断深入，风电机组单机容量不断增加和叶轮直径不断增大，轮毂中心高度也越来越高。原有机型已不能满足工程建设的需要，开发新型的风电起重机QLY1760 型，以满足更高更大风电机组的吊装要求。经过市场调研及方案设计，确定QLY1760 型轮胎起重机的主要技术参数有：最大起重量为125 t，最大工作幅度为45 m，最大起升高度为132 m，起升速度为0 ～ 16 m/min，行走速度 为0 ～ 5 km/h，爬坡度为20％，总功率为440 kW。图2 转机位行走状态2 方案设计流动式起重机一般选择轻质高强的材料，其部件的设计要考虑转场运输要求，质量、外廓尺寸等应限制在规定范围内。在构件截面尺寸的限制下，随着构件长度的增大，简单的可通过提高材料强度等级实现，但高强材料会带来焊接制作困难和成本费用的增加；或通过改变结构受力性能，比如增加侧拉装置。经过方案试算和比选，确定QLY1760 型轮胎起重机的最终形式，竖直的塔身侧向增加预紧装置，增大结构刚度，提高承载能力，如图3 所示。图3 整体构造依据整机结构特点，该起重机可分为上车和下车，以回转支承为分界。上车采用高柔的组合臂架，包括直立的塔身和可转动变幅的起重臂。方案初步设计阶段，可采用结构力学知识分别对塔身和起重臂结构进行受力分析计算。起重臂为静定结构，其所承受的载荷分为变幅平面载荷和回转平面载荷；变幅平面内，起重臂相当于两端简支结构；回转平面内，起重臂可视为悬臂结构；计算方法可采用许用应力法和极限状态法[4]。在塔身变幅平面内，后平衡拉杆可施加预紧力，使塔身头部反变形，减小结构受力前倾变形，进而减小截面弯矩。在回转平面内布置预拉装置，与塔身共同承担水平力及弯矩，参照工程应用情况及塔身受力特点，在两侧布置两道倾斜拉杆或拉索或是两者的组合，底部设置液压缸，带有位移传感器精确控制预紧变形，与塔身一起形成空间结构受力体系。塔身结构为超静定结构。为简化计算，变幅平面内为一次超静定结构，回转平面内为两次超静定结构，根据各构件截面参数、所受载荷和结构力学知识，可求解出各构件的内力和变形，进而计算出应力。计算简图分别如图4 所示。图4 受力计算简图如图5 所示，塔身和起重臂作为组合结构，由于塔身的柔性特质，起重臂计算时将根部作为固定支座与实际情况不符，应整体分析，采用高等非线性分析方法进行计算，并建立有限元模型进行校核验算。图5 有限元模型及结果显示3 结构组成及性能QLY1760 型轮胎起重机由金属结构、液压系统、电气系统、动力系统及附属系统组成。金属结构主要由下车、转台、带侧拉装置的塔身、撑臂系统、起重臂等组成。该起重机控制伸缩节的伸出具有16 种工况，根据风电吊装的特殊性，设置3 种工况，分别满足90 m、110 m、125 m 高塔架的机组吊装。在型式试验中，严格按照GB/T 3811 － 2008《起重机设计规范》的相关条款规定，空载试验、动载试验、静载试验、稳定性以及危险工况相应工作幅度的额定载荷加5% 偏摆试验，充分验证结构的强度和安全储备[5]，分别如图6、图7 所示。3.1 下车下车采用轮胎式底盘，支腿与行走车体合二为一，支腿展开成X 形，行走悬挂安装在支腿上，支腿合并后可直行、横行、斜行、八字转向等，转场灵活，就位方便。成熟的液压独立悬挂、独立转向系统，车轮可在+300 mm 范围依路面情况自行调整，满足凸凹不平等复杂路面的通行能力。图6 125 t 动载试验图7 额载+5% 偏摆试验3.2 转台机台是联系上下车的关键承载结构件，采用高强度钢板焊接而成的双侧工字梁框架结构，整体稳定性好。采用分体式机台结构形式，免拆回转支承，实现快装。侧向有关节式、可偏转外伸下拉梁，与侧拉装置连接。卷扬机、动力系统、塔身、配重及后拉杆等分别与机台在不同部位进行连接。3.3 塔身塔身结构采用4 节伸缩桁架结构，不同伸缩节间用两个销轴在腹杆部位液压动力自动连接，安全可靠。侧向设置有两道倾斜侧拉加载装置，增大刚度，可自由控制伸缩，通过卷扬机、钢丝绳及滑轮组实现。3.4 撑臂系统撑臂系统包括水平臂、摆动桅杆、防后倾、侧拉三角架等。水平臂为板梁结构，与塔身通过销轴连接，端部与两组竖直拉杆相连。摆动桅杆为平面框架，与起重臂头部之间用两条拉板及钢丝绳滑轮组连接。防后倾为可转动三角支架，弹簧缓冲。侧拉三角架可折叠，端部与侧拉加载装置连接。3.5 起重臂起重臂包括根段、中间段及鹤嘴，中间段为4 节伸缩腹杆插销连接桁架结构，依靠自身重力随着塔身的升降实现伸缩。根段与水平臂通过销轴连接，鹤嘴设置起升定滑轮组、起升导向滑轮，通过抗旋转钢丝绳与吊钩组连接。双变幅机构交替动作实现起重臂的自扳起，转动角度接近168°。4 缩比模型验证侧拉预紧装置应用于起重机结构，通过设置于底部的液压缸收缩施加预紧力，增大结构刚度。由于实际伸缩结构与简化计算模型之间的差异，为了验证预紧装置的效果和加载控制机理，设计了缩比模型（见图8），保证各部件长细比与原机型相同，外形尺寸比例为1:15，各部件截面面积比例为1:57.9，惯性矩比例为1:13045。考虑模型选材与制作的可行性，局部连接部位做了适当的加强处理[6]。如图9 所示，按照等效原则用液压缸模拟侧拉加载，贴32 个应变片测量计算截面应力，并在变截面处和塔身及起重臂头部绑钢尺，用于经纬仪测量变形。试验中根据不同的工作幅度，采用多级加载至1.25 倍额定载荷及额定载荷加侧向偏摆等多种工况，并与高等非线性分析及有限元模拟对比，趋势吻合，拟合良好，有效验证了侧拉加载原理。图8 缩比模型图9 贴应变片测量应力5 应用实例QLY1760 型轮胎起重机已成功应用于河南、陕西、贵州、山东等地的多个风电场的吊装建设，其中在陕西渭南某风电场，吊装125 m 轮毂中心2.5 MW 机组，最重件机舱质量超过95 t。6 结论1）QLY1760 型轮胎起重机的成功研制，为复杂地形的陆上风电场建设带来大的变革，对国内外风电场建设用的大吨位起重设备的研制有重要的参考价值。2）大尺寸、大柔度的起重机组合臂架，通过增加侧拉装置，在截面尺寸不增大的情况下满足更高更大的起重参数。3）严格按照规程型式试验取证，验证结构的强度、刚度、稳定性及安全储备，尤其是额载加5% 偏摆试验，模拟现场歪拉斜吊。4）通过缩比模型试验，验证侧拉装置加载及控制原理，为类似工程提供借鉴。5）大型组合臂架的高等非线性分析，结合有限元模型校核，验证组合臂架起重机整体结构计算方法，指导工程实践。参考文献[1] 许国东，叶杭冶，解鸿斌. 风电机组技术现状及发展方向[J]. 中国工程科学，2018（6）：44-50.[2] 孙永胜，李纲，吕明华，等.QLY1560 轮胎起重机[J]. 建筑机械，2013（10）：74-77.[3] 孟瑞艳，孙永胜，赵东源，等. 山地风电机组吊装绿色施工工法[J]. 建设机械技术与管理，2017（10）：54，55.[4] 王金诺，张质文，程文明，等. 起重机设计手册[M]. 北京：中国铁道出版社，2013.[5] GB/T3811 － 2008 起重机设计规范[S].[6] 孟瑞艳，李纲. 大柔度起重机整体稳定性缩比实验及高等非线性分析[ J ] . 建筑机械技术与管理，2 0 1 8（ 1 1 ）：64-66.举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章西平县权寨镇开展无偿献血志愿服务活动vlog丨火种初燃，讲解员带你走进老渔阳里2号加梯夙愿，今朝圆梦！黄浦区今年有望实现全覆盖！腊八节，万里之外的他，用一首三行诗为家人祈福奇瑞汽车投资成立供应链公司 注册资本3亿元
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