倒掛式液壓升降系統結構強度分析

王贇，馮浩

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

目前近海風電機組的安裝主要由風電安裝平臺、浮吊等設備完成，其中自升式風電安裝平臺是當前風電安裝運維的主力軍。自升式風電安裝平臺的升降系統目前主要有2種驅動形式：齒輪齒條式；液壓油缸式。應用廣泛的油缸頂升式液壓升降系統根據油缸和環梁在圍阱內布置形式又分為正置式和倒掛式兩種。上海振華重工(集團)股份有限公司(以下簡稱振華重工)為中鐵建某公司設計建造的1 300 t風電平臺4 800 t升降系統環梁結構設計至關重要，考慮對升降系統環梁結構在工作、鎖緊、失效等工況下的強度進行分析，驗證結構設計的合理性，為后續設計提供借鑒。

1 升降系統的結構設計

液壓升降系統是升降環梁通過油缸與船體相連，通過上下環梁升降油缸的步進運動實現平臺的連續升降[1]。倒掛式液壓升降系統，是指升降環梁與油缸位置顛倒，使得升降油缸一端與環梁連接另一端及圍阱結構頂部的上導向相連，環梁結構倒著掛在圍阱上導向的下面。兩種形式的升降系統結構見圖1。

圖1 液壓升降系統結構簡圖

升降系統主要由環梁結構、升降油缸、液壓系統和電控系統等組成。連續型液壓升降系統設有上下兩個環梁，按照高度位置位于上方的稱為上環梁(或稱高位環梁)，位于下方的稱為下環梁(或稱低位環梁)，基本結構大致相同，區別是與升降油缸連接的吊耳布置位置不同。4 800 t倒掛式液壓升降系統的環梁結構見圖2[2]，三維模型見圖3。

圖2 4 800 t倒掛升降環梁結構

圖3 4 800 t倒掛升降結構模型

2 工況及載荷

2.1 工況

單腿額定升降載荷為4 800 t，最大支撐和壓樁載荷均為7 200 t，最大拔樁載荷為4 500 t;單環梁配置4個插銷銷軸組件，8套升降油缸。

根據升降系統工作狀態將其工況分為升降、壓載、拔樁、拖航及風暴自存5個子工況[3]。根據規范要求，單環梁需滿足鎖緊能力，在單個插銷或銷軸失效時能保證平臺安全[4]。因此，根據升降系統工作狀態及規范要求，將升降系統計算工況分為工作、鎖緊和失效工況[5]。

2.2 各工況的載荷

2.2.1 工作工況

系統在平臺預壓載工況和風暴工況上下環梁同時承載；在拔樁工況和升降工況上下環梁交替承載；拖航工況依樁腿位置單個環梁承載。各子工況的環梁載荷分配見表1。

表1 環梁載荷分配表

工作工況下，預壓載和拔樁工況屬于靜載工況，預壓載工況環梁耳板受壓，拔樁工況環梁耳板受拉，這2個工況環梁受力方向不同，因此分別計算。風暴、升降和拖航屬于動載工況，油缸耳板均受壓且升降工況下受載最大，因此僅校核升降工況。綜上，工作工況下根據動靜載、受力方向以及承載大小分預壓載、拔樁及升降共5個子工況對環梁強度進行校核(拔樁工況下，因下環梁結構更弱，僅校核下環梁強度可覆蓋上環梁的強度計算),見表2。

表2 環梁分析工況、載荷表

2.2.2 鎖緊工況

根據規范要求，上下環梁做鎖緊(記為LC6，LC7)時所承受的載荷不小于該腿所承受的最大載荷(70 560 kN)，單個油缸(共8個)最大拉力為8 820 kN，單個銷孔處受力為17 640 kN。

2.2.3 失效工況

升降工況中，一組環梁承載，當失效一個銷子時，由另外3個銷子承載48 000 kN；當失效1個油缸時，由另外7個油缸承載48 000 kN。

站立工況中，由2組環梁承載，失效1個銷子時，1個環梁仍為4個銷子承載36 000 kN，另1個環梁為3個銷子承載36 000 kN；當失效1個油缸時，1個環梁仍為8個油缸承載36 000 kN，另1個環梁為7個油缸承載36 000 kN。

綜上，在失效同樣部件下，升降工況中環梁受載大于站立工況，因此在升降工況下對環梁結構在失效單1插銷或油缸情況按表3中的4種工況進行計算。

表3 失效工況載荷

3 有限元分析

3.1 有限元模型

4 800 t液壓升降系統上下環梁結構是由高強鋼板焊接而成的環狀結構，高、低位環梁主結構受4組升降油缸拉(推力)及4個插銷垂向載荷，以樁腿為中心90°，4等分，結構及受力形式相同，建立1/4包含單組油缸、單個銷孔的結構模型。軸套及部分板件厚度適中，采用Shell181殼單元建模，網格整體大小為50 mm×50 mm。在ANSYS中建立有限元模型，見圖4、5[6]。

圖4 上環梁1/4 Ansys模型

圖5 下環梁1/4Ansys模型

3.2 約束和加載

3.2.1 工作工況

環梁結構在工作工況下，通過插銷銷軸和升降油缸分別連接樁腿與船體來傳遞升降和工作過程中的各種載荷，上環梁結構模型加載見圖6，下環梁結構類似。

圖6 環梁結構加載示意

有限元分析模型中施加的載荷相互平衡，因此在上下環梁防扭結構外側面中點以及兩側筋板中點共4點施加固定鉸約束，實際計算結果約束點的支反力結果較小，不影響整體分析。各工況約束見圖7。

圖7 環梁結構約束示意

3.2.2 鎖緊工況

鎖緊工況環梁的受力形式與工作工況相同，僅載荷有別，約束和加載與工作工況類似。

3.2.3 失效工況

1)單根銷軸失效。在損失1個銷子情況下，環梁原有均衡受力被打破，剩余3個銷子承受不均衡載荷。采用桿單元模擬銷軸與插銷軸套建立連接，對銷軸中心進行約束。升降油缸通過油缸銷軸與環梁油缸耳板連接，單環梁所有升降油缸共管路，因此所有升降油缸壓力相同，環梁豎直載荷由現有8個油缸平均承受，單一銷軸失效工況下的加載和約束情況見圖8。

圖8 單一銷軸失效工況加載&約束

2)單根油缸失效。在損失1個油缸的情況下，原有平衡打破，2個銷子承受不均衡載荷。同樣采用桿單元模擬銷軸并與插銷軸套建立連接。升降油缸通過油缸銷軸與環梁油缸耳板連接，單環梁所有升降油缸共管路，因此所有升降油缸壓力相同，環梁豎直載荷由剩余7個油缸平均承受，單1油缸失效工況下的加載和約束見圖9。

圖9 單一油缸失效工況加載&約束

3.3 應力匯總

環梁主結構材料為EH550高強鋼，部分筋板材料為EH36。

根據CCS規范，對于靜載工況，等效應力安全系數取1.43。對于組合工況，等效應力安全系數取1.11。對于鎖緊和失效工況，按照材料屈服強度校核結構強度。

工作工況下環梁結構Von Mises應力見表4。

表4 工作工況環梁結構Von Mises應力 MPa

由表3可見,上下環梁最大應力均出現在工作工況。

鎖緊工況環梁結構Von Mises應力,見表5。

表5 鎖緊工況環梁結構Von Mises應力 MPa

失效工況環梁結構Von Mises應力見表6。

表6 失效工況環梁結構Von Mises應力 MPa

4 現場使用

從2019年12月交付至今，中鐵建1 300 t風電平臺已經在東海、南海等海域完成了多個項目的風機安裝工作，總體運行平穩，表現優異，尤其在如東某海域進行風機安裝過程中突發插銷油缸故障，現場采用單環梁3插銷結構成功實現緊急升降。單環梁3插銷實現升降不僅證明了結構強度滿足要求，可以在失效工況應急使用，同時也驗證了計算的正確性。

5 結論

1)鎖緊和失效工況環梁結構的應力比工作工況大，因此在升降系統使用過程中應加強維護，盡量避免升降環梁在鎖緊和失效工況下使用；

2)從各工況計算結果來看，低位環梁的最大應力均大于高位環梁結構，在使用中應加強對低位環梁尤其是高應力區的檢查；

3)單銷軸失效工況下，理論上因受力平衡可能出現單環梁僅有兩個插銷承載的情況，在緊急情況下使用時應加強觀察，在平臺升降到安全位置時應立即停止，換成站位模式，并對環梁結構進行必要的檢查。