風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙變頻器更換專用工具設(shè)計(jì)*

文 | 叢智慧，安利強(qiáng)，王鵬

風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙變頻器更換專用工具設(shè)計(jì)*

文 | 叢智慧，安利強(qiáng)，王鵬

機(jī)艙內(nèi)部變頻器是風(fēng)電機(jī)組維護(hù)的重要內(nèi)容，其更換與維修需要專業(yè)化設(shè)備。風(fēng)電機(jī)組變頻器安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)部，為減少占有空間，風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)部各設(shè)備的排布非常緊湊，變頻器損壞后更換時(shí)受到空間與設(shè)備重量的限制。由于變頻器重量較大，更換工作需要人員數(shù)量較多，一般需要4人左右，另外由于機(jī)艙內(nèi)部空間狹小，不利于多人操作，而且存在人員傷害及設(shè)備損壞等安全隱患。目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有用于風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)部變頻器更換的專用裝置，急需開發(fā)此類專用裝置。在機(jī)艙內(nèi)部，由于機(jī)艙空間狹小，裝備主要靠人員攜帶上下，因此對(duì)機(jī)艙內(nèi)部主要維護(hù)設(shè)備提出了更高的要求，要求設(shè)備使用方便、可人工操作、重量輕。通過(guò)設(shè)計(jì)專業(yè)化的維護(hù)設(shè)備，可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組維護(hù)效率。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、總體結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組變頻器更換專用工具最大起升高度711mm，載重200kg，由工作平臺(tái)、升降機(jī)構(gòu)、底座組成，見(jiàn)圖1。工作平臺(tái)由直線型導(dǎo)軌、滑塊、支承鋼架組成，用于進(jìn)入變頻器底部間隙并將其水平移入或移出。升降機(jī)構(gòu)由八根內(nèi)外交錯(cuò)的剪叉桿、液壓裝置、結(jié)構(gòu)鋼架組成，用于將工作平臺(tái)舉升和降落至所需高度。底座采用矩形框架結(jié)構(gòu)，其上部設(shè)有帶孔鋼板和帶滑道鋼板，其下部安裝具備剎車功能的萬(wàn)向腳輪，用于保證各個(gè)部件穩(wěn)定工作。

二、導(dǎo)軌及滑塊設(shè)計(jì)

根據(jù)需要選擇直線導(dǎo)軌，直線導(dǎo)軌用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載，同時(shí)可以承受一定的彎矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)。直線導(dǎo)軌具有自動(dòng)調(diào)心能力，其自動(dòng)調(diào)心能力來(lái)自于圓弧溝槽的DF組合，即工作時(shí)有安裝面的偏差也能夠被線軌滑塊內(nèi)部所吸收，產(chǎn)生自動(dòng)調(diào)心能力的效果，從而得到更高精度穩(wěn)定的平滑運(yùn)動(dòng)。直線導(dǎo)軌所有方向都有高剛性，運(yùn)用四列式圓弧溝槽，配合四列鋼珠，鋼珠與圓弧溝槽的接觸角度為45，使鋼珠達(dá)到理想的兩點(diǎn)接觸，因此導(dǎo)軌可承受來(lái)自上下和左右方向的負(fù)荷。

三、工作平臺(tái)設(shè)計(jì)

工作平臺(tái)的組成為支承鋼架，直線型導(dǎo)軌及滑塊；當(dāng)工作時(shí)由于滑塊提供支反力和彎矩、直線型導(dǎo)軌可簡(jiǎn)化為懸臂梁模型，重物自重W＝200×10＝2000N，每根承重管承重Q＝1000N，當(dāng)變頻器壓在鋼管上時(shí)，可簡(jiǎn)化為均布載荷q＝2222N/m，簡(jiǎn)化受力模型如圖2所示。

圖1 專用工具結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 簡(jiǎn)化受力模型

根據(jù)矩形鋼管標(biāo)準(zhǔn)(GB/T3094-2000)，選擇矩形鋼管的截面寬b＝16mm，高h(yuǎn)＝32mm，壁厚s＝2mm，材料為Q235A型。彎曲應(yīng)力對(duì)鋼管的影響遠(yuǎn)大于剪切應(yīng)力對(duì)材料的影響，故按照彎曲應(yīng)力對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)度校核，彎矩圖如圖3所示。

此矩形鋼管的抗彎截面系數(shù)：

式中，b1為工作平臺(tái)所用鋼管矩形截面的短邊長(zhǎng)度，h1為工作平臺(tái)所用鋼管矩形截面的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度，s1為工作平臺(tái)所用鋼管厚度。

最大彎曲應(yīng)力：

許用應(yīng)力：

由 式（1） 及 式（2） 可 得σmax＝ 202.41MPa。 其中Mmax為最大彎矩，由圖3可知其值為275N·m；σ為Q235A型鋼的屈服極限，其值為235MPa；n為安全系數(shù)，取1。σmax＜[σ]，故工作平臺(tái)所用鋼管的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

為使兩根承重鋼管在移動(dòng)時(shí)能共同運(yùn)動(dòng)，在兩根承重鋼管內(nèi)側(cè)的外壁焊有同樣截面，同樣長(zhǎng)度矩形鋼管，為方便操作人員在任意一側(cè)推拉承重鋼管，在兩根承重鋼管外側(cè)的外壁焊有外徑17mm，壁厚2.5mm的20號(hào)鋼管作為直推拉手柄（滾花工藝處理），其長(zhǎng)度為100mm。

四、結(jié)構(gòu)鋼架設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)鋼架主要作用分為兩部分，首先，其下部與剪叉桿的支座固定并為上滑輪提供可以滑動(dòng)的空間；其次，其上部作為直線導(dǎo)軌的底座，為導(dǎo)軌提供穩(wěn)定性。為減輕設(shè)備重量，按照直線導(dǎo)軌的寬度來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)鋼架，根據(jù)矩形鋼管標(biāo)準(zhǔn)(GB/T3094-2000)，選用2根截面邊長(zhǎng)為20mm，壁厚為1mm，700mm長(zhǎng)的Q235A型方管。結(jié)構(gòu)鋼架作以下焊接處理：

（1）為便于和直線型導(dǎo)軌配合，在鋼管上方焊有長(zhǎng)700mm，寬60mm，厚5mm的矩形鋼板。

（2）鋼管上方焊有一截面尺寸為60mm×200mm的5mm厚的矩形鋼板。

圖3 鋼管受力彎矩圖

圖4 結(jié)構(gòu)鋼架

（3）由于變頻器的深度為460mm，下支承結(jié)構(gòu)的寬度為400mm，為保證將變頻器移出、放在裝置上時(shí)不發(fā)生偏心，上述矩形鋼板的邊緣與鋼管的邊緣距離為30mm。

（4）為保證兩根上支承鋼管可以共同豎直向上運(yùn)動(dòng)，在兩根上支承鋼管的內(nèi)側(cè)焊有邊長(zhǎng)20mm，壁厚1mm，長(zhǎng)度400mm的正方形截面鋼管，此兩根鋼管的外側(cè)面分別距700mm長(zhǎng)的鋼管的兩個(gè)端面280mm。結(jié)構(gòu)鋼架如圖4所示。

五、剪叉桿設(shè)計(jì)

剪叉桿的數(shù)量較多，是升降系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)件。內(nèi)側(cè)剪叉桿是由前后剪叉桿和橫軸焊接成的U形框架，外側(cè)剪叉桿是由前后剪叉桿和地軸焊接成的U型框架，剪叉桿的長(zhǎng)度根據(jù)最大起升高度要求確定，采用矩形截面的鋼管，截面大小根據(jù)受力分析確定。同層內(nèi)、外剪叉桿在中心轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接成剪叉，異層兩端分別鉸接；兩側(cè)剪叉桿的上、下端分別與上支承結(jié)構(gòu)和下支承結(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)聯(lián)接。液壓缸的耳環(huán)與地軸成轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，液壓柱塞的耳環(huán)與橫軸也成轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接。上支承結(jié)構(gòu)上方與直線導(dǎo)軌連接，滑塊與工作平臺(tái)固定連接。

（一）剪叉桿長(zhǎng)度確定

剪叉桿的長(zhǎng)度與起升高度有關(guān)，起升高度越高，剪叉桿的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。當(dāng)工作平臺(tái)達(dá)到最大高度時(shí)，則每根剪叉桿的兩端軸孔距離：

圖5 剪叉桿1受力分析圖及等效圖

圖6 剪叉桿1受力彎矩圖

圖7 剪叉桿外形圖

式中，h為起升總高度，711mm；β為剪叉桿與水平面的最大夾角，60。為留出連接軸的安裝空間，取剪叉桿的總長(zhǎng)l＝500mm。

（二）剪叉桿強(qiáng)度校核

經(jīng)分析，當(dāng)α＝30時(shí)，剪叉桿1受力最大，受力分析及等效圖如圖5所示。

根據(jù)以上條件畫彎矩圖，如圖6所示。

變頻器、滑動(dòng)機(jī)構(gòu)和承重鋼結(jié)構(gòu)的重量總和：

液壓缸推力P與W的關(guān)系值公式為：

對(duì)D點(diǎn)做力矩分析：

A、B、C、D點(diǎn)所受合力分別為：

其中l(wèi)為剪叉桿兩端軸孔距離，420mm；α為剪叉桿與水平面夾角，30 ；θ為液壓柱塞與水平面夾角，45 ；a為剪叉桿上橫軸孔距最近端軸孔的距離，125mm。

由彎矩圖可知，桿1的最大彎矩在C點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算當(dāng)α＝30時(shí)，Rc有最大值，即擁有最大彎矩：

此時(shí)也擁有最大的軸向力，CD段受到的軸向壓力為：

剪叉桿均選用矩形截面鋼管，根據(jù)矩形鋼管標(biāo)準(zhǔn)（GB/T3094-2000），選擇邊長(zhǎng)為40mm×20mm，壁厚為3mm的Q235A型矩形截面鋼管。剪叉桿的橫截面積：

剪叉桿的抗彎截面系數(shù)：

其中b2為剪叉桿所用鋼管截面的短邊長(zhǎng)度20mm，h2為剪叉桿所用鋼管截面長(zhǎng)邊長(zhǎng)度40mm，s2為剪叉桿所用鋼管壁厚3mm。則該狀態(tài)下的工作應(yīng)力公式為：

圖8 運(yùn)動(dòng)分析圖

其值為146.17MPa，小于Q235A型鋼的許用應(yīng)力。故截面為40mm×20mm，壁厚為3mm的矩形截面鋼管滿足強(qiáng)度要求。因此剪叉桿選用8根Q235A型，截面邊長(zhǎng)為40mm×20mm，壁厚為3mm的矩形截面鋼管，每根剪叉桿兩端軸孔距離為420mm，剪叉桿的總長(zhǎng)度為500mm。其外形如圖7所示。

整體穩(wěn)定性分析

為保證工作穩(wěn)定性，防止側(cè)翻和顛覆，此專用工具配有兩根鋼管，最大伸出長(zhǎng)度為450mm。工作時(shí)將其插入下支承結(jié)構(gòu)的400mm長(zhǎng)的鋼管中，與工作平臺(tái)平行伸入裝有變頻器的箱柜中，使其頂在箱柜內(nèi)的一表面上，以使重心始終落在支承范圍內(nèi)，防止裝置發(fā)生傾覆。裝置升到最高位置時(shí)，剪叉桿所受軸向載荷最大，計(jì)算表明，該值小于臨界值。所以，工作時(shí)的整機(jī)穩(wěn)定性能滿足設(shè)計(jì)要求。

動(dòng)力系統(tǒng)選擇

為使工作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上升、下降運(yùn)動(dòng)，并考慮變頻器箱柜前的操作環(huán)境，選用體積小、慣性小、重量輕的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為此裝置的動(dòng)力系統(tǒng)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)操縱控制簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，并且元件表面自行潤(rùn)滑、磨損小、具有較長(zhǎng)的使用壽命。

本設(shè)計(jì)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓缸和液壓泵組成。液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的、做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)）的液壓執(zhí)行元件。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可免去減速裝置，并且沒(méi)有傳動(dòng)間隙，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因此在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。液壓缸輸出力與活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比；液壓缸主要由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。

圖8為工作臺(tái)在最低處和最高處時(shí)的升降機(jī)構(gòu)示意圖。AC、AC'為剪叉桿2的兩個(gè)狀態(tài)；CD、C'D'為剪叉桿1的兩個(gè)狀態(tài)；圓C與CD、圓C'與C'D'的交點(diǎn)為剪叉桿1上的橫軸孔的位置；AB為液壓缸的起始狀態(tài)，AB'為液壓缸的伸長(zhǎng)狀態(tài)，則液壓缸的行程為AB'－AB＝90mm。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)變頻器的更換專用工具，體積重量適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙中的狹小空間，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、性能完善。在風(fēng)電機(jī)組變頻器維護(hù)時(shí)采用此裝置可實(shí)現(xiàn)單人操作，節(jié)約人力物力，減少維護(hù)時(shí)間，極大提高工作效率，因而有廣闊的應(yīng)用前景及較好的經(jīng)濟(jì)效益。

*國(guó)家自然科學(xué)基金：風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)振動(dòng)及穩(wěn)定性的概率分析方法研究（51675179）

［作者單位：叢智慧：大唐（赤峰）新能源有限公司；安利強(qiáng)，王鵬：華北電力大學(xué)機(jī)械工程系］