自制多功能焊接機(jī)架在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架焊接中的應(yīng)用

朱鍇年

（中國水電四局（酒泉）新能源裝備有限公司，甘肅酒泉735000）

自制多功能焊接機(jī)架在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架焊接中的應(yīng)用

朱鍇年

（中國水電四局（酒泉）新能源裝備有限公司，甘肅酒泉735000）

通過對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組塔架焊接生產(chǎn)線不足的分析，介紹了兩種用于風(fēng)力發(fā)電塔架外側(cè)焊縫焊接的焊接輔助設(shè)備，一種是利用車間廠房立柱用于風(fēng)電塔架外側(cè)焊縫焊接的多功能焊接機(jī)架，另外一種是龍門式風(fēng)電塔架焊接支架。該套輔助設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，場地占用極少，使風(fēng)電塔架焊接作業(yè)生產(chǎn)效率更高、生產(chǎn)成本更低、高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)降低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)風(fēng)電塔架生產(chǎn)具有很積極促進(jìn)的作用。

風(fēng)力發(fā)電；機(jī)組塔架；輔助設(shè)備；焊接；研制；應(yīng)用

風(fēng)能是一種干凈的可再生能源，在我國分布十分豐富。風(fēng)力發(fā)電具有不需要燃料、不占耕地、沒有污染和運(yùn)行成本低的顯著優(yōu)勢，近年來風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，前景非常廣闊。風(fēng)電機(jī)組塔架是支撐發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，主要起支撐并吸收機(jī)組振動(dòng)的作用。在風(fēng)力發(fā)電塔架的制造中，焊接是最重要的工序之一，目前均采用埋弧自動(dòng)焊焊接。埋弧自動(dòng)焊焊接應(yīng)用范圍廣、作業(yè)面積大、工作量大、技術(shù)要求高，是產(chǎn)品質(zhì)量控制的重中之重，也是企業(yè)成本和進(jìn)度控制的重點(diǎn)，同時(shí)由于風(fēng)電塔架外形巨大，外縫焊接時(shí)存在高空作業(yè)，所以也是安全管理中不容忽視的一項(xiàng)工作。

風(fēng)電塔架筒體的縱、環(huán)縫采用埋弧自動(dòng)焊焊接［1］，對(duì)焊接環(huán)境的要求較高，在車間廠房內(nèi)施焊是風(fēng)電塔架制造的必然要求。風(fēng)電塔架形體尺寸大，通常，縱、環(huán)縫外側(cè)和外側(cè)焊縫的焊接要在水平位置施焊就必須依賴特殊的專用工位、工裝和設(shè)備來完成。本文對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組塔架焊接生產(chǎn)線不足分析，研制了兩種用于風(fēng)力發(fā)電塔架外側(cè)焊縫焊接的焊接輔助設(shè)備，克服了傳統(tǒng)風(fēng)電塔架生產(chǎn)線不足，并提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

1　傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組塔架焊接生產(chǎn)線分析

1.1利用十字臂式焊接操作機(jī)焊接

風(fēng)電機(jī)組塔架焊接生產(chǎn)線一般制造廠家大多采用十字臂式埋弧焊接［2］（（見圖1），由懸臂式埋弧操作機(jī)和在地面上固定的行走軌道組成。但當(dāng)多個(gè)作業(yè)面同時(shí)生產(chǎn)（見圖2），地面需安裝布置多臺(tái)懸臂式埋弧操作機(jī)的軌道，縱焊、環(huán)焊的工件全部都堆疊存放在一起時(shí)，現(xiàn)有的懸臂式焊接支架便出現(xiàn)了一些問題。

圖1　十字臂式焊接操作機(jī)

圖2　十字臂式焊接操作機(jī)施焊原理

（1）需要在塔架側(cè)面平行布置軌道并留足操作機(jī)的旋轉(zhuǎn)空間，場地占用較大；

（2）需要操作人員站在架體頂部操作，移動(dòng)不靈活、作業(yè)人員高空作業(yè)、回轉(zhuǎn)余地小，存在高空作業(yè)安全隱患；

（3）沒有足夠放置焊劑回收機(jī)的平臺(tái)，焊劑無法及時(shí)回收，浪費(fèi)嚴(yán)重；

（4）設(shè)備自身造價(jià)昂貴，成本投入較高。

（5）在規(guī)模化生產(chǎn)中會(huì)極大地制約了生產(chǎn)進(jìn)度和安全生產(chǎn)。

1.2直接將小車放置在筒體頂部焊接

在實(shí)際風(fēng)電塔架生產(chǎn)中，還有利用滾輪架將筒體縱縫旋轉(zhuǎn)到頂部之后，操作人員直接在筒體頂部鋪設(shè)埋弧焊小車軌道后施焊。存在以下不足：

（1）人、機(jī)均處在高空危險(xiǎn)環(huán)境下，無安全防護(hù)措施，存在高空跌落的安全隱患；

（2）受作業(yè)條件影響，操作困難，效率低下；（3）焊劑無法及時(shí)回收，浪費(fèi)嚴(yán)重。

2　風(fēng)電機(jī)組塔架焊接輔助機(jī)架設(shè)計(jì)

我公司充分借鑒國內(nèi)外同類機(jī)型制造技術(shù)，結(jié)合公司技術(shù)裝備，研制開發(fā)結(jié)構(gòu)合理、適應(yīng)性強(qiáng)、具有較佳性價(jià)比的風(fēng)電塔架焊接輔助設(shè)備。

2.1用于風(fēng)力發(fā)電塔架外側(cè)焊縫焊接的多功能焊接機(jī)架

為解決傳統(tǒng)焊接設(shè)施存在的問題，提高工作效率，增強(qiáng)安全性能，合理利用資源，結(jié)合生產(chǎn)車間的結(jié)構(gòu)形式，依托廠房的鋼結(jié)構(gòu)立柱，設(shè)計(jì)制造了用于風(fēng)力發(fā)電塔架外側(cè)焊縫焊接的多功能焊接機(jī)架，機(jī)架的工作原理示意圖如圖3所示。

圖3　用于風(fēng)力發(fā)電塔架架體外側(cè)焊縫焊接的多功能焊接機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖（立面圖）

該機(jī)架包括固定在車間廠房立柱上的頂部軌道、機(jī)身、平臺(tái)升降系統(tǒng)、升降平臺(tái)、埋弧焊機(jī)和放有風(fēng)電塔架的焊接滾輪架；機(jī)身頂部滾輪以布置在廠房立柱上的H型鋼為行走軌道，地面上鋪設(shè)了底部行走軌道，機(jī)身下部設(shè)有行走電機(jī)，可帶動(dòng)機(jī)架在軌道上水平移動(dòng)，機(jī)身上設(shè)有與可升降平臺(tái)相連接的平臺(tái)升降系統(tǒng)，埋弧焊小車放置在可升降平臺(tái)上，焊接滾輪架設(shè)在升降平臺(tái)的下方。

頂部軌道通過與其適配的頂部滾輪與機(jī)身相接，底部軌道通過與其適配的底部行走輪與機(jī)身的底部相接，通過行走電機(jī)的帶動(dòng)，機(jī)架可沿軌道水平行走。

平臺(tái)升降系統(tǒng)包括柔性鋼索、定滑輪和電動(dòng)葫蘆。電動(dòng)葫蘆、定滑輪分別設(shè)在所述機(jī)身的上部，平臺(tái)、平臺(tái)配重通過柔性鋼索纏繞在升降系統(tǒng)的滑輪上，電動(dòng)葫蘆沿垂直方向通過鎖鏈與平臺(tái)相連接，升降平臺(tái)通過兩側(cè)的導(dǎo)向輪與機(jī)身相連，當(dāng)操作人員按下電動(dòng)葫蘆的升降按鈕時(shí)，平臺(tái)可在垂直方向上自由升降來調(diào)節(jié)工作高度。

升降平臺(tái)導(dǎo)向輪與機(jī)身之間設(shè)有安全鎖緊裝置，當(dāng)電動(dòng)葫蘆失靈時(shí)，鎖緊裝置會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)阻止平臺(tái)在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，有效保護(hù)人機(jī)安全。

升降平臺(tái)（如圖4所示）包括平臺(tái)支撐、平臺(tái)護(hù)欄和花紋面板，平臺(tái)支撐采用槽鋼和角鋼的框架結(jié)構(gòu)，在框架結(jié)構(gòu)上覆蓋花紋鋼板，花紋鋼板四周設(shè)有平臺(tái)護(hù)欄，并在花紋鋼板上預(yù)留有交叉設(shè)置的縱向和橫向的長方形焊接口，焊接口上對(duì)應(yīng)設(shè)有縱縫焊接小車軌道、環(huán)縫焊接小車軌道，既可以用于單節(jié)架體的外縱縫焊接，又可以用于整段塔架的外環(huán)縫焊接，平臺(tái)空間大，可放置弧焊小車、焊劑回收機(jī)等其他設(shè)備，并可容納兩名以上操作人員，周邊護(hù)欄可為操作人員提供可靠的安全防護(hù)。

圖4　機(jī)架升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖）

在機(jī)身底部設(shè)有電動(dòng)行走系統(tǒng)，可以使焊接機(jī)架沿軌道水平移動(dòng)，將焊接機(jī)架移動(dòng)至風(fēng)電塔架待焊接外壁焊縫部位，焊接裝置行走鎖定，焊接滾輪架帶動(dòng)塔架以一定方向和速度轉(zhuǎn)動(dòng)，焊接機(jī)架就可以完成外壁環(huán)縫焊接，焊后沿架體的軸線移動(dòng)下一處環(huán)縫焊接，這樣可以完成塔架所有焊縫的焊接。

將待焊單節(jié)架體的縱縫調(diào)整至水平狀態(tài)，焊接機(jī)架移動(dòng)至單節(jié)待焊架體處，升降平臺(tái)長方形焊接口能夠覆蓋單節(jié)架體的縱縫，焊接小車從一端沿軌道移動(dòng)速度移動(dòng)，根據(jù)工藝重復(fù)以上操作，便可完成外縱縫焊接。

2.2龍門式風(fēng)力發(fā)電塔架焊接支架

針對(duì)沒有廠房車間立柱工位的焊接，設(shè)計(jì)架設(shè)了多功能外縫焊接機(jī)架，利用自制的龍門式風(fēng)力發(fā)電塔架焊接支架［3］，人員和焊接設(shè)備在龍門架頂部平臺(tái)上進(jìn)行操作施焊，機(jī)架的工作原理示意圖如圖5所示。

圖5　龍門式風(fēng)力發(fā)電塔架焊接支架結(jié)構(gòu)示意圖

龍門式風(fēng)力發(fā)電塔架焊接支架，包括設(shè)有行走輪的支架、升降平臺(tái)、焊渣回收箱和滾輪架。使用時(shí)，將需要焊接的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架置于兩根相互平行的行走輪支撐梁7之間的滾輪架，啟動(dòng)錐齒輪減速機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪將龍門式風(fēng)力發(fā)電塔架環(huán)縫焊接支架移動(dòng)到塔架焊接部位，啟動(dòng)環(huán)鏈及電動(dòng)葫蘆11中的電動(dòng)葫蘆，然后驅(qū)動(dòng)環(huán)鏈調(diào)整升降平臺(tái)5至合適的焊接高度，在焊接滾輪架做塔架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的配合下，即可以開始焊接，焊接完畢后龍門式風(fēng)力發(fā)電塔架環(huán)縫焊接支架可以方便地移動(dòng)到下一個(gè)焊縫或者不妨礙塔架吊裝的位置，這時(shí)如果需要對(duì)已焊完的焊縫需要處理打磨，可以在伸縮平臺(tái)6上進(jìn)行。

支架內(nèi)設(shè)有升降平臺(tái)，該升降平臺(tái)上設(shè)有伸縮平臺(tái)；支架的下部設(shè)有回收箱；升降平臺(tái)的四個(gè)角部與所述支架頂部之間均設(shè)有與所述支架相連的導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌上均設(shè)有滑套；相鄰兩個(gè)滑套之間設(shè)有鎖緊機(jī)構(gòu)；支架與所述升降平臺(tái)之間設(shè)有爬梯，且該升降平臺(tái)上設(shè)有防護(hù)欄。

龍門式風(fēng)力發(fā)電塔架焊接支架由四個(gè)立柱、兩根相互平行的行走輪支撐梁、橫梁、橫桿及斜支撐構(gòu)成。兩根行走輪支撐梁的底部兩端均分別設(shè)有行走輪，其上部兩端均分別設(shè)有四個(gè)支撐桿，該四個(gè)支撐桿的頂部設(shè)有橫梁，四個(gè)支撐桿的上部通過斜支撐與所述橫梁相連，之間設(shè)有斜支撐，四個(gè)支撐桿與鎖緊機(jī)構(gòu)相連；行走輪支撐梁上同側(cè)的支撐桿之間設(shè)有回收箱，行走輪支撐梁與升降平臺(tái)之間設(shè)有爬梯，升降平臺(tái)通過環(huán)鏈及電動(dòng)葫蘆與支架頂部相連；行走輪上設(shè)有環(huán)形凹槽，該環(huán)形凹槽的寬度與軌道的軌面相適配；導(dǎo)軌通過導(dǎo)軌固定件與支架相連，四個(gè)支撐桿的頂部通過支撐板與橫梁相連。

2.3電氣控制

電氣方面的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)以上兩種焊接裝置提高平臺(tái)水平方向，垂直方向和旋轉(zhuǎn)功能上來控制。考慮到現(xiàn)場操作使用環(huán)境、操作工的安全性和操作的便捷性，平臺(tái)采用遙控的控制方式，并且通過遙控器啟動(dòng)功能控制該設(shè)備的控制總電源開啟來增加電器操作安全性。水平方向和垂直方向上利用四個(gè)限位接近開關(guān)，來限制前進(jìn)后退和上下的位置，以保證操作和設(shè)備的安全。

3　應(yīng)用效果分析

研發(fā)的風(fēng)力發(fā)電塔架架體外側(cè)焊縫焊接的多功能焊接機(jī)架和龍門式風(fēng)力發(fā)電塔架環(huán)縫焊接支架已大量投入使用。

3.1用于風(fēng)力發(fā)電塔架外側(cè)焊縫焊接的多功能焊接機(jī)架

公司研制的用于風(fēng)力發(fā)電塔架外側(cè)焊縫焊接的多功能焊接機(jī)架，制造調(diào)試后，基本性能參數(shù)如表1所示，在生產(chǎn)得到廣泛應(yīng)用，如圖6所示。

表1　用于風(fēng)力發(fā)電塔架外側(cè)焊縫焊接的多功能焊接機(jī)架性能參數(shù)表

圖6　用于風(fēng)力發(fā)電塔架架體外側(cè)焊縫焊接的多功能焊接機(jī)架應(yīng)用圖

我公司在酒泉千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地一期工程和新疆哈密風(fēng)電場建設(shè)中的風(fēng)電塔架設(shè)備制造中都應(yīng)用了風(fēng)電機(jī)組塔架制造輔助成套設(shè)備，在制造過程中實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電塔架制造的機(jī)械生產(chǎn)流程控制，提高了風(fēng)電塔架制造的質(zhì)量保證能力，提高了生產(chǎn)效率使工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低，場地使用效率提高，提高了產(chǎn)能。該設(shè)備與傳統(tǒng)焊接設(shè)備［4］技術(shù)相比具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

（1）由機(jī)架利用生產(chǎn)車間廠房立柱布置，因此，不但提高了穩(wěn)定性，而且也減小因機(jī)架本體顫動(dòng)對(duì)焊接的不利影響，保證了焊縫質(zhì)量。

（2）本機(jī)架架設(shè)在廠房立柱之上，不需占用專用場地，大大節(jié)省了生產(chǎn)場地。

（3）由于本機(jī)架設(shè)有垂直升降系統(tǒng)，可通過垂直升降調(diào)節(jié)方便的工作高度，通用性強(qiáng)。因此，可以滿足生產(chǎn)不同規(guī)格的風(fēng)電塔架外壁焊縫焊接，即大小直徑的塔架都可以在一個(gè)機(jī)架上進(jìn)行施焊，從而大大提高了工作效率，相比較其他支架工作效率能提高40%左右。

（4）由于本機(jī)架在升降平臺(tái)焊接設(shè)備待焊部位預(yù)留有縱橫交叉的長方形焊接口，且焊接口上分別設(shè)有縱縫焊接小車軌道、環(huán)縫焊接小車軌道，因此，可以同時(shí)滿足風(fēng)電塔架外環(huán)縫和外縱縫焊接，提高了使用效率。

（5）由于機(jī)架升降平臺(tái)空間大，因此，可以滿足放置焊劑回收機(jī)等焊接輔助裝置，可及時(shí)回收焊劑，避免了因回收不及時(shí)造成的浪費(fèi)，僅僅在這一項(xiàng)上每年就可為公司節(jié)約1%的生產(chǎn)成本，降低了成本，真正做到了節(jié)能增效。

3.2龍門式風(fēng)力發(fā)電塔架焊接支架

龍門式風(fēng)力發(fā)電塔架焊接支架在860余臺(tái)風(fēng)電塔架設(shè)備制造中，提高了生產(chǎn)安全保證能力，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，該設(shè)備與傳統(tǒng)焊接設(shè)備技術(shù)相比具有以下顯著特點(diǎn)：

（1）由于焊接支架由四個(gè)立柱、兩根相互平行的行走輪支撐梁、橫梁及斜支撐構(gòu)成，形成龍門式立柱布置，因此，不但提高了穩(wěn)定性，而且也減小因支架本體顫動(dòng)對(duì)焊接的不利影響，保證了焊縫的成形質(zhì)量。

（2）由于升降平臺(tái)通過環(huán)鏈及電動(dòng)葫蘆與支架頂部相連，因此，使用方便快捷，可根據(jù)焊接件高度自由調(diào)整，滿足生產(chǎn)不同規(guī)格的風(fēng)電塔架外壁環(huán)縫焊接，即大小直徑的塔架都可以在一個(gè)支架上進(jìn)行施焊，從而大大提高了工作效率。

（3）由于升降平臺(tái)上設(shè)有防護(hù)欄，且設(shè)有鎖緊機(jī)構(gòu)，因此，可以有效地保護(hù)人機(jī)安全，預(yù)防安全事故的發(fā)生。

（4）由于設(shè)有伸縮平臺(tái)，因此，當(dāng)一條環(huán)縫焊接完成后焊接下一條時(shí)，利用伸縮平臺(tái)進(jìn)行前面焊縫的處理工作，在此平臺(tái)上完成多道工序的工作，從而大大縮短了工作時(shí)間，降低了成本。

（5）由于行走輪上設(shè)有環(huán)形凹槽，該環(huán)形凹槽的寬度與軌道的軌面相適配，因此，可以防止脫離軌道或者跳出軌道。

4　結(jié)束語

用于風(fēng)力發(fā)電塔架外側(cè)焊縫焊接的多功能焊接機(jī)架和龍門式風(fēng)力發(fā)電塔架環(huán)縫焊接支架結(jié)構(gòu)簡單，方便實(shí)用，既能焊接架體的環(huán)縫，又能焊接縱縫焊縫。該輔助設(shè)備造價(jià)低廉，操作方便，使用更可靠、生產(chǎn)效率更高、生產(chǎn)成本更低、高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)降低。自公司2009年建廠初期設(shè)計(jì)制造使用，累計(jì)焊接塔架設(shè)備1500余臺(tái)，制造的質(zhì)量、進(jìn)度、安全及成本控制方面優(yōu)勢明顯，使用效果良好，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，并獲得國家專利。

［1］梁建明，馬曉欣，劉麗娟，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒焊接制作工藝［J］.焊接技術(shù)，2010，39（12）：68-69.

［2］石南輝，吳犇，郝亮.厚壁大直徑風(fēng)塔的焊接［J］.電焊機(jī)，2012，42（8）：17-19.

［3］朱鍇年，張陽勇，董貴林，等.龍門式風(fēng)力發(fā)電塔筒環(huán)縫焊接工裝［P］.中國：201420563709.8，2014-9-28.

［4］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)．焊接手冊(cè)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

PracticalApplication of Homemade Multifunction Welding-Frame forManufacturing ofW ind Turbine Tower

ZHU Kai-nian
（Sinohydro Bureau4（JiuQuan）New Engergy Equipment Co.Ltd.，Jiuquan Gansu 735000，China）

Based on the defect analysis to welding production line ofwind turbine tower，we developed two kind of auxiliary welding-frames.One is external circular seam welding-frame which takes advantage of the plant pillar. Another is gantry type welding-frame.Structurally simple，easy operation，saving room，the new frames have increased the efficiency，reduced production cost，lowered risk of occupations at elevated heights，and which have greatly improved themanufacturing ofwind turbine tower.

wind power generation；turbine tower；auxiliary equipment；welding；develop；application

TG431

B

1672-545X（2016）05-0170-04

2016-02-10

朱鍇年（1974-），男，甘肅張掖人，高級(jí)工程師，在讀工程碩士，主要從事新能源裝備和大型鋼結(jié)構(gòu)工程制造安裝技術(shù)研究工作。