風機外部維修平臺抗傾覆穩(wěn)定性分析

張 珂，白小龍，龍彥澤，李俊宏，孫 佳，吳玉厚

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

風機外部維修平臺抗傾覆穩(wěn)定性分析

張 珂，白小龍，龍彥澤，李俊宏，孫 佳，吳玉厚

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

基于牽引式風機外部維修起重平臺整機的結(jié)構(gòu)特點，采用力矩平衡法建立風機維修平臺整機抗傾覆穩(wěn)定性數(shù)學模型，分析計算出兩種危險工況下平臺整機的抗傾覆穩(wěn)定性情況，并采用有限元分析法對平臺框架進行特征值屈曲分析。分析結(jié)果證明該風機維修平臺整機在工作狀態(tài)下可達到整機穩(wěn)定性，不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，平臺框架亦滿足穩(wěn)定性要求，并可為風機維修平臺設(shè)計提供參考依據(jù)。

風機維修平臺；整機穩(wěn)定性；力矩平衡法；有限元分析法

風電維修起重平臺通常應用在大型風電設(shè)備的安裝和維修工程中，可用于灘涂、山丘等大型起重機械不能進入現(xiàn)場的場合，具有施工便捷、轉(zhuǎn)移方便、適應性強等優(yōu)點。風電機組常年處在酷熱、嚴寒等惡劣的環(huán)境下進行工作，故由機械部件的磨損而引發(fā)的故障不可避免，日常維護可以解決較小的故障，但一些主要零部件的損壞卻需要整體更換。風機外部維修起重平臺主要用途就是對風力發(fā)電機機艙內(nèi)部的零部件進行吊裝、維修及更換，由于其使用場合的特殊性，用戶對其整體穩(wěn)定性要求越來越強烈。本文采用力矩平衡法計算風機外部維修起重平臺整機的抗傾覆能力，用ANSYS Workbench軟件對風機維修平臺進行特征值屈曲分析，得出整機抗傾覆穩(wěn)定性的結(jié)論。

1 工作原理及工況分析

1.1 工作原理

風機維修平臺主要由夾緊機構(gòu)、平臺框架、起重機構(gòu)及牽引機構(gòu)4部分組成，其中夾緊機構(gòu)和起重機構(gòu)都固定在平臺框架上。平臺工作時頂艙內(nèi)的纜繩垂至地面，與一個滑輪組相連，并將其送至渦輪機頂部，形成頂艙牽引系統(tǒng)。隨后頂艙牽引系統(tǒng)將風機維修起重平臺送至風機塔筒的頂部。當平臺到達風機塔筒頂端之后，利用液壓裝置控制收縮夾緊機構(gòu)，抱住風機塔筒，讓整個維修設(shè)備在高空更加穩(wěn)固，使得它在離地面約70m、風速高達15m的高空也能安全工作。風機維修起重平臺整機三維Solidworks模型如圖1所示。

圖1 風機維修起重平臺整機三維模型

1.2 工況分析

根據(jù)風機維修過程的作業(yè)性質(zhì)、作業(yè)性能，可知維修平臺在工作過程中可能出現(xiàn)以下3種極限工況，分別為起重臂左懸吊、中間懸吊及右懸吊三種狀態(tài)，其中起重臂左懸吊與右懸吊工況受力情況相似，只是起重臂右懸吊過程中機構(gòu)重心相對銷軸中心位置力矩更長，產(chǎn)生的彎矩更大，因此我們僅就右懸吊和中間懸吊兩種工況進行分析計算。

工況1:起重臂右懸吊、額定起重量10t、吊重距回轉(zhuǎn)中心距離3.2m；工況2:起重臂中間懸吊、額定起重量10t、吊重距回轉(zhuǎn)中心距離3.2m。為了便于分析計算，絞盤、吊車、抱卡液壓站等均用小長方體代替，工況1、2示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 工況1示意圖

圖3 工況2示意圖

2 整機抗傾覆穩(wěn)定性分析與計算

風機維修平臺整機的抗傾覆能力由平臺自重相對支撐平面的傾覆軸線具有的力矩決定。當外力相對支撐平面的傾覆軸線產(chǎn)生的傾覆力矩小于抗傾覆力矩時，平臺保持穩(wěn)定不傾覆，反之，平臺產(chǎn)生傾覆。根據(jù)高空作業(yè)平臺設(shè)計規(guī)范，結(jié)合風機維修平臺自身的結(jié)構(gòu)特點，借鑒已有的起重機抗傾覆穩(wěn)定性的計算方法，本文采用力矩平衡法分別計算兩種工況下的橫向及縱向穩(wěn)定力矩和傾覆力矩，比較穩(wěn)定性安全系數(shù)進行驗算。

2.1 工況1下的整機抗傾覆穩(wěn)定性模型求解

在不影響分析計算的情況下，為了便于觀察以及節(jié)省空間，將起重機構(gòu)伸縮臂縮合狀態(tài)來表示吊臂全伸長13m，吊臂仰角為75°時的狀態(tài)。懸吊式風機外部維修起重平臺橫向與縱向的受力分析圖如圖4所示。

在工況一條件下，利用力矩平衡法，分別列出風機維修平臺橫向和縱向整機抗傾覆穩(wěn)定性的數(shù)學模型。

2.1.1 工況1下的平臺整機橫向抗傾覆穩(wěn)定性分析計算

穩(wěn)定力矩

圖4 平臺受力分析示意圖

其中：MS為穩(wěn)定力矩；F為夾緊臂夾緊力；L1為夾緊臂夾緊力作用點到傾覆點Q的垂直距離；θ為平臺底盤允許的最大傾角，取θ=1°。

傾覆力矩

其中：Mt為傾覆力矩；Gt為平臺組件自重；L2為平臺組件自重作用點到傾覆點Q的垂直距離；G為吊重；L3為吊重作用點到傾覆點Q的垂直距離；Ge為隨車吊重量；L4為隨車吊重心到傾覆點Q的垂直距離；Gk為液壓站總重量；L5為液壓站重心到傾覆點Q的垂直距離；Fe為作用在隨車吊上的風力，L6為風力在隨車吊上的作用點到傾覆點Q的垂直距離。

依據(jù)GB 3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》，風機維修平臺的穩(wěn)定性安全系數(shù)

可見工況1條件下，雖然穩(wěn)定性安全系數(shù)接近于1，但是平臺工作過程中遠遠達不到如圖所示的極限位置，所以平臺橫向是穩(wěn)定的。

2.1.2 工況1下平臺整機縱向抗傾覆穩(wěn)定性分析計算

穩(wěn)定力矩

其中：L8為平臺組件自重作用點到傾覆點Q的垂直距離。

傾覆力矩

其中：Fz為作用在設(shè)備上的風力；L7為風力在設(shè)備上的作用點到傾覆點Q的垂直距離。

依據(jù)GB3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》，高空平臺的穩(wěn)定性安全系數(shù)

可見在工況1條件下，平臺整機的縱向是穩(wěn)定的，并且還有非常大的安全儲備。

2.2 工況2整機抗傾覆穩(wěn)定性模型求解

在工況2條件下，懸吊式風機維修起重平臺整機橫向和縱向受力分析如圖5所示。

圖5 平臺縱向受力分析示意圖

利用力矩平衡法分別列出平臺整機橫向和縱向抗傾覆穩(wěn)定性的數(shù)學模型。

2.2.1 工況2下平臺整機橫向抗傾覆穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定力矩

傾覆力矩

依據(jù)GB 3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》，高空平臺的穩(wěn)定性安全系數(shù)

所以在工況2條件下，平臺整機橫向也是穩(wěn)定的。

2.2.2 工況2下平臺整機縱向抗傾覆穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定力矩

傾覆力矩

依據(jù)GB 3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》，高空平臺的穩(wěn)定性安全系數(shù)

所以在工況2條件下，平臺整機縱向也是穩(wěn)定的。

3 風機維修平臺局部穩(wěn)定性分析與計算

平臺框架主要由工字鋼和槽鋼焊接而成，包括底部承重梁和側(cè)向加強梁。它是風電維修起重平臺的主要承重部件，該部分穩(wěn)定性的好與壞，對保證風機施工安全、減少安全事故具有十分重要的意義。其上放置起重吊臂和液壓站等部件。在風電維修起重平臺工作的時候，與平臺底盤固定連接的法蘭盤會承受很大的力矩載荷，而后部的承重梁要承受液壓站和液壓絞盤等部件的重力載荷。平臺整機結(jié)構(gòu)比較復雜，網(wǎng)格劃分工作量非常大，故僅對平臺框架進行分析，本文利用ANSYS workbench分析軟件模擬風機維修起重平臺整機的實際工作情況，創(chuàng)建平臺機構(gòu)的APDL參數(shù)化模型，進行該平臺框架的特征值屈曲分析。

3.1 建立簡化實體模型

考慮到工字鋼、槽鋼的材料特性，能夠承受拉、壓、彎、扭特性，材料的彈性模量E＝70GPa，泊松比λ＝0.3，密度ρ＝2.7t/m3。網(wǎng)格劃分完畢后，平臺框架有限元模型如圖6所示，該模型共有94454個節(jié)點，40820個單元。

圖6 平臺框架有限元模型

3.2 平臺框架特征值屈曲分析

對已建立的平臺框架有限元模型施加約束和外載荷：在平臺4個連接板的孔面上施加固定支撐模擬懸臂梁的固定端，對2根主要承重工字鋼頂面距離工字鋼末端1825mm的節(jié)點處施加豎直向下的單位集中力載荷，對平臺框架施加豎直向上的重力加速度，用慣性力來模擬其重力，指定總變形為計算結(jié)果求解結(jié)構(gòu)靜力學分析，然后指定總變形即屈曲模態(tài)為計算結(jié)果，求解線性屈曲分析，得出平臺機構(gòu)前6階的屈曲特征值和屈曲模態(tài)，平臺框架前6階屈曲特征值如表1所示。

表1 平臺框架前6階屈曲特征值

查看屈曲模態(tài)結(jié)果和屈曲載荷因子，如圖7所示，圖中左上方顯示的Load Multiplier值即為屈曲載荷因子，由于結(jié)構(gòu)靜力學分析時施加的是單位載荷，所以平臺框架的臨界壓力值等于屈曲載荷因子，即平臺框架的臨界壓力值為375990N。這在風機維修平臺的實際工作中是非常安全的，不會發(fā)生屈曲破壞，因此平臺框架具有很好的穩(wěn)定性。

圖7 平臺框架屈曲模態(tài)

4 結(jié) 論

1）本文利用力矩平衡法，建立了風機外部維修平臺整機的抗傾覆穩(wěn)定性數(shù)學模型，根據(jù)現(xiàn)行的起重機設(shè)計規(guī)范，對風機維修起重平臺進行了整機抗傾覆穩(wěn)定性分析，分析計算出兩種工況下整機的抗傾覆穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在兩種危險工況下，懸吊式風電維修起重平臺整機穩(wěn)定性良好，不會發(fā)生傾覆現(xiàn)象。

2）利用ANSYS workbench分析軟件對平臺框架進行了特征值屈曲分析，分析結(jié)果表明，該平臺框架在實際工作過程中不會發(fā)生屈曲破壞，能夠達到穩(wěn)定性要求，可以滿足風機維修平臺的技術(shù)指標。

3）此外，該風機維修平臺具有結(jié)構(gòu)緊湊、維修方便等特點，在風機維修、維護等實際應用中將會取得良好的工作效果。

[1] GB 19155-2003，高處作業(yè)吊籃[S]．

[2] 張 珂，趙 亮，孫 佳，等．14m大型高空作業(yè)平臺力學性能分析[J]．沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2010，26（4)：772-776．

[3] 張 珂，黃小征，陳建平，等．自行式高空作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J]．中國工程機械學報，2013，11（1)：11-15．

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[5] 趙愛瓊．如何保證汽車起重機的抗傾覆能力[J]．工程機械，2003，（12)：17-18.

[6] 劉曉婷，趙洪亮，刑 宇，等．高空作業(yè)平臺抗傾覆穩(wěn)定性分析[J]．起重運輸機械，2011，(1)：19-22．

(編輯 賈澤輝）

Resist overturning stability analysis on wind turbine external maintenance platform

ZHANG Ke, BAI Xiao-long, LONG Yan-ze, LI Jun-hong, SUN Jia, WU Yu-hou

TH211+.6

B

1001-1366(2015)11-0041-04

2015-09-10