風機塔筒成型用吊梁的優化仿真設計

胡學超，高 健

（1.內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特 010020；2.內蒙古航天金崗重工有限公司，內蒙古呼和浩特 010050）

0 引言

目前，隨著風力發電建設的高速發展，兆瓦級風力發電機組在全球商業運行中廣受關注，隨著高參數、大容量的風電機組相繼投產，對風力發電機的安裝也提出了更新、更高要求。塔筒是其重要組成部分——風機的超大部件之一，車間在生產風機塔筒的過程中，如何將其成型前長板料快速、高效、安全的吊裝顯得至關重要。塔筒板料長度為12～15 m，如果直接使用卡具或吊鉤方式吊板料長度方向中間位置，板料兩端由于重力作用呈現下塌現象，很容易對所吊板料下的另一張板料產生劃傷問題[1-3]。

為此，結合有限元分析軟件[4]，設計一種吊板料工裝來解決板料間劃傷問題。綜合實際使用情況設計了一種具有穩定性、安全性、效率性的吊梁，來滿足兆瓦級風機生產塔筒的吊裝要求：一方面通過分析，可以有效掌握吊梁使用的最大載荷；另一方面，配合鋼絲繩，可以在很大程度上解決板料長度方向下塌造成的板料間劃傷問題。這對風機塔筒的板料吊裝及其后續的維修工作都具有實用價值及重要意義。

1 現有風塔制作板料吊裝存在的不足

在風塔的制造過程中，目前板料的吊裝方式有兩種：一種是采用磁力吸盤，雖然磁力吸盤可以很平穩地吊裝板料，但是在吊裝過程中只有0.5 h 左右的斷電保護時間，保護時間過后存在一定的安全隱患；另一種方式是采用卡具或L 形吊鉤用以起吊板料，吊裝位置位于板料長度方向的中間位置，板料在自身重力的作用下兩端會下塌，極易劃傷所吊板料下的另一張板料。因此，結合卡具的防滑功能，加工一套吊梁可以有效降低板料劃傷問題。

2 系統設計參數及要求

吊梁設計技術參數及功能要求在生產項目中普遍板料噸位前提下提出、依據國家標準及行業特殊要求基礎，通過相關分析，召集質量技術部、生產部等部門進行評審，具體包括以下兩個方面的內容。

（1）主要技術指標。按照現階段所涉及的筒節最大厚度為36 mm，板料長13 200 mm、寬2500 mm，一張板料重量為9.32 t，所以要求所設計吊梁載荷能力10 t，所吊板料長度設計為15 m，吊梁長度設計為5～6 m。

（2）吊梁功能及要求：①吊梁的設計以可靠性、安全性、安裝可調性為原則；②吊梁結構為鋼結構，吊耳強度必須滿足10 t 要求；③吊梁包括吊梁主體，槽鋼加強部分、U 形環，鋼絲繩等；④吊梁采用厚度為20 mm 的Q345 鋼板組焊而成，焊接牢固，焊后釋放應力，并進行超聲檢測；⑤吊梁側面焊接槽鋼加強吊梁整體強度；⑥在吊梁外壁刷防銹層和黃色防腐層，并且標注額定載荷。

3 總體結構設計

3.1 系統構成

吊梁的主要構成是主體、槽鋼、上吊耳加強板等構成，上吊耳和下吊耳是主體板料直接排版下料，槽鋼焊接于主體板兩側，起加強作用，上吊耳位置兩側都加加強板用以提高上吊耳的使用強度要求（圖1）。

圖1 吊梁的系統構成模型

3.2 吊梁設計狀態及加工情況

按照車間板料起吊轉運情況，吊梁通過U形環連接鋼絲繩掛于天車鉤，吊梁主體初期通過ABAQUS 有限元分析，分析過程中按照吊重10 t 計算，然后按照結構圖制作加工工藝圖，車間焊接完成并現場試驗吊重10 t，試驗合格后擴大生產應用到實際中。

3.3 吊梁設計特點及作用

車間吊梁是根據車間現有板料的長度、板料進行結構強度設計，在上吊耳處進行加固整個吊梁。該方案有4 個特點：①通過大型有限元分析軟件進行強度分析；②解決了車間現有長板料在起吊與轉運過程中，長度方向下塌造成的板料間的劃傷問題；③解決了塔筒板料7000床、1250 床下料后板料下方清渣的方便性；④解決了板料上、下坡口工裝時的安全隱患。

4 車間吊梁設計說明

4.1 整體結構

吊梁屬于軸對稱圖形，在建立有限元模型過程中，為了縮短計算機的運算量以及運算時間，本結構采用建立1/2 軸對稱模型，長度方向為2.5 m，主體結構寬度0.28 m，模擬過程中全部采用SI 單位制[5]。

4.2 材料屬性和截面屬性創建

材料選用Q345 鋼材，其中楊氏模量為210 000 MPa，泊松比μ=0.3。

4.3 有限元單元劃分

為了模擬更加結合實際使用情況，本模擬采用C3D8I（8 節點六面體線性非協調模式單元），共劃分1382 287 單元格。槽鋼、主體板料如圖2 所示。

圖2 有限元單元劃分

4.4 載荷、相關耦合創建

在實際使用過程中，為了更好地模擬實際吊耳的受力情況，上吊耳與天車吊鉤的鋼絲繩為2.0 m，模擬吊鉤點位于兩個上吊耳垂直平分線上。通過計算，天車吊鉤距離吊梁上端面的垂直距離為1.5 m，所以模型在軸對稱方向上垂直方向建立耦合點并與上吊耳耦合約束，下吊耳連接鋼絲繩2.5 m 使用過程中基本屬于豎直方向，本模擬采用下吊耳中心點為第二耦合點并與其下支耳耦合約束。載荷施加是固定上吊耳耦合點，下吊耳耦合點施加50 000 N 靜載載荷。

4.5 吊梁結果分析

計算結果如圖3 所示，從應力云圖可以分析得出，吊梁的最大應力為6.397×10-8Pa，位于下吊耳位置，但是通過云圖放大，明顯發現下吊耳超過材料屈服強度345 MPa 的部分占下吊耳寬度約1/10。另外，從吊梁的應變云圖可以分析得出，吊梁兩側受載荷影響，變形為1.672×10-3m。

圖3 應力、應變云圖

4.6 吊梁現場試驗

根據模擬結果，生產一套風機塔筒成型用吊梁進行驗證，試驗過程達到了預期設計指標，并量產應用于現場。

5 結論

風機塔筒成型用車間吊梁通過優化設計，解決了風機塔筒板料長度方向下塌造成的板料間劃傷問題，提高了車間生產環節的產品質量，增強了板料吊裝的平穩性和安全性。另外，采用ABAQUS 大型有限元分析軟件對吊梁進行強度研究，實現10 t重量的吊裝，滿足現有風機塔筒生產中板料的吊裝噸位，為試驗預研提供參考意義，現場實驗結果良好。