風(fēng)機(jī)錐形塔筒重心計(jì)算及吊裝受力分析

蔣忠平 周建皓

摘 要：通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吊裝作業(yè)時(shí)錐形塔筒的CAD建模計(jì)算及受力分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)錐形塔筒吊裝的提前策劃及監(jiān)督，保持塔筒吊裝時(shí)的穩(wěn)定性，減少安全事故，縮短工期，提高吊裝效率。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)錐形塔筒;重心計(jì)算;受力分析

引言

公司風(fēng)電項(xiàng)目大量開(kāi)展，目前大部分吊裝均采用傳統(tǒng)試吊法，雖然施工熟練度和效率在提高，但后續(xù)提升空間小，安全風(fēng)險(xiǎn)高，急需進(jìn)行技術(shù)革新。通過(guò)電腦CAD建模法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法確定塔筒中心再進(jìn)行受力分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)錐形塔筒吊裝的提前策劃及監(jiān)督，保持塔筒吊裝時(shí)的穩(wěn)定性，減少安全事故，節(jié)約成本。

1? 塔筒介紹

1.1? 塔筒設(shè)備參數(shù)

本文采用迅風(fēng)定遠(yuǎn)東部風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目2.3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組錐筒型塔筒為硏究對(duì)象;定遠(yuǎn)項(xiàng)目塔筒僅一種型號(hào)，共五段，總重302.1t，最重部件為底段塔筒，重量為79.8t;塔筒編號(hào)從下至上分別為第一段塔筒（上段塔筒）、第二段塔筒（中上段塔筒）、第三段塔筒（中段）、第四段塔筒（中下段塔筒）、第五段塔筒（底段塔筒）;

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地條件及施工工期的要求，本項(xiàng)目選擇風(fēng)機(jī)設(shè)備的吊裝機(jī)具為：一臺(tái)徐工XGC650履帶起重機(jī)作為主力吊車(chē)與一臺(tái)80t履帶吊（或100t汽車(chē)吊）作為輔吊合抬完成塔筒的吊裝;其它的100t汽車(chē)吊、80t履帶吊作為輔助吊車(chē)，配合設(shè)備卸貨。項(xiàng)目采用1個(gè)工作面為主，進(jìn)行流水作業(yè)以便提高安裝效率，保障工期。

1.2? 塔筒建模

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒除塔筒本身外，還有一些其他的附屬設(shè)備，如平臺(tái)、爬梯、門(mén)洞等。分析計(jì)算時(shí)，塔筒幾何模型簡(jiǎn)化的原則是在保證計(jì)算精度的前提下，對(duì)一些與所研究塔筒強(qiáng)度、自振特性、穩(wěn)定性沒(méi)有重要作用或者承受載荷情況并不關(guān)鍵的部位作簡(jiǎn)化，這樣既減輕了建模的工作量，又不會(huì)影響分析結(jié)果的精確性。建立模型時(shí)以2.3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒為例，作如下簡(jiǎn)化（簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖1所示）。

2? 傳統(tǒng)試吊法

現(xiàn)場(chǎng)吊裝專(zhuān)業(yè)施工隊(duì)采用低位試吊方法：使用徐工XGC650履帶起重機(jī)，在塔筒中心處起吊塔筒約100mm，當(dāng)塔筒離開(kāi)地面時(shí)傾斜了，說(shuō)明吊鉤和重心的連線沒(méi)有在通過(guò)重心的垂線上，如果傾斜度大于5度，將塔筒放低并重新配置。通過(guò)多次試吊逐步找到塔筒的重心。

以塔筒中心為0刻度坐標(biāo)，偏向法蘭截面小的一端為正向。施工對(duì)每段塔筒試吊5次，試吊結(jié)果如表2所示。

3? CAD建模法

3.1 底段塔筒建模，通過(guò)CAD輸入表1底段塔筒尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)，可查詢得到如下相關(guān)信息，見(jiàn)圖2：重心離塔筒中心約-214mm。

3.2 中下段塔筒建模，通過(guò)CAD輸入表1中下段塔筒尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)，可查詢得到如下相關(guān)信息，見(jiàn)圖3：重心離塔筒中心約-7mm。

3.3 中段塔筒建模，通過(guò)CAD輸入表1中段塔筒尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)，可查詢得到如下相關(guān)信息，見(jiàn)圖4：重心離塔筒中心約-6.9mm。

3.4 中上段塔筒建模，通過(guò)CAD輸入表1中上段塔筒尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)，可查詢得到如下相關(guān)信息，見(jiàn)圖5：重心離塔筒中心約-390.4mm。

3.5 上段塔筒建模，通過(guò)CAD輸入表1上段塔筒尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)，可查詢得到如下相關(guān)信息，見(jiàn)圖6：重心離塔筒中心約8mm。

4? 傳統(tǒng)試吊法與CAD建模法比較

（1）重心偏差：2種方法的偏差極小，可認(rèn)為CAD建模法在使用上無(wú)問(wèn)題。

（2）時(shí)間上：5段塔筒試吊約8小時(shí)，建模法約半個(gè)小時(shí)，時(shí)間上節(jié)約了7.5個(gè)小時(shí)，提高了效率。

（3）安全上：傳統(tǒng)試吊法需多次吊裝，增加了風(fēng)險(xiǎn)，而新方法在計(jì)算機(jī)上計(jì)算得出，提高了安全性。

（4）成本上：節(jié)約了1個(gè)臺(tái)班。

5? 受力分析

吊裝塔筒時(shí)，使用徐工100t汽車(chē)吊（輔吊）與徐工XGC650履帶吊（主吊）抬吊立起塔筒組件。徐工XGC650履帶吊抬吊塔筒上法蘭，主臂長(zhǎng)144米，副臂12米，工作半徑20m時(shí)起重機(jī)的額定起重量P1為110t，徐工100t汽車(chē)吊抬吊塔筒下法蘭，依據(jù)徐工100t汽車(chē)吊工況表：臂桿長(zhǎng)度L=18m;工作半徑R=5m;額定起重量P2=63t。

以底段塔筒為例，起吊時(shí)如圖7所示，根據(jù)塔筒受力平衡以及力矩平衡可得到以下兩個(gè)關(guān)系式：

F1+F2=G

F1*L1=F2*L2

F1：主吊承載力;F2：輔吊承載力;L1：主吊吊耳到重心的距離;L2：輔吊吊耳到重心的距離;G：塔筒重量。

通過(guò)計(jì)算，可得出F1為39.045噸，F(xiàn)2為40.755噸。

徐工100噸汽車(chē)吊裝時(shí)的起吊重量為：

G輔=F2+G2+G3+G4+G5=40.755+0.7+1.5+0.4+0.6=43.955t

式中：F2為起吊塔筒時(shí)吊裝重量40.755噸;G2為吊鉤重量，徐工100t汽車(chē)吊吊鉤重量根據(jù)說(shuō)明書(shū)吊鉤重量0.5t;G3為吊具重量，根據(jù)設(shè)備廠家提供的大部件及吊具信息，塔筒吊具重量為1.5t;G4為鋼絲繩重量，考慮鋼絲繩下降到最低時(shí)的重量（按主臂長(zhǎng)度計(jì)算= 18m），徐工100t汽車(chē)吊，鋼絲繩為Φ26mm，查詢6*37*Φ26mm鋼絲繩，2.83kg/m，鋼絲繩采用6倍率，則鋼絲繩重量約為0.4t;G5為底段塔筒連接螺母重量，M48-8.8螺母176顆，墊片352顆，重量約為600kg。

負(fù)荷率η輔=G輔/Q×100%=43.955/63×100%≈69.76%≤75%，符合吊裝規(guī)范要求。

徐工XGC650履帶吊裝時(shí)的起吊重量為：

G主=F1+G2+G3+G4+G5=39.045+5.5+1.5+4.7+0.9=51.645t

式中：F1為起吊塔筒時(shí)吊裝重量39.045t;G2為吊鉤重量，徐工XGC650履帶吊吊鉤重量根據(jù)徐工XGC650履帶吊說(shuō)明書(shū)200t吊鉤重量5.5t;G3為吊具重量，根據(jù)廠家提供的定遠(yuǎn)項(xiàng)目大部件及吊具信息，塔筒吊具重量為1.5t;G4為鋼絲繩重量，考慮鋼絲繩下降到最低時(shí)的重量，根據(jù)徐工XGC650履帶吊說(shuō)明書(shū)，鋼絲繩為Φ28mm，根據(jù)吊車(chē)生產(chǎn)廠家提供資料Φ28mm鋼絲繩，重量3.85kg/m，鋼絲繩采用8倍率，計(jì)算鋼絲繩下降至152m時(shí)，則鋼絲繩重量為8×152×3.85=4682 kg，即為4.7t;G5為塔筒螺栓重量，M42-10.9螺栓176顆，螺母176顆，墊片352顆，重量為900kg。

負(fù)荷率η主=G/Q×100%=51.645/110×100%=46.95%≤75%，符合吊裝規(guī)范要求。

雙機(jī)抬吊時(shí)，設(shè)備從地面的水平位置逐漸到垂直受力位置，當(dāng)塔筒扳起直立的時(shí)候輔吊所受的承載力接近于零，而主吊車(chē)所受的承載力達(dá)到最大。

徐工XGC650履帶吊承受整個(gè)塔筒重量時(shí)，吊裝時(shí)的起吊重量為：

G總=G+G2+G3+G4+G5=79.8+5.5+1.5+4.7+0.9=92.4t

式中：G為塔筒重量79.8t;G2為吊鉤重量，徐工XGC650履帶吊吊鉤重量根據(jù)徐工XGC650履帶吊說(shuō)明書(shū)200t吊鉤重量5.5t;G3為吊具重量，根據(jù)廠家提供的定遠(yuǎn)項(xiàng)目大部件及吊具信息，塔筒吊具重量為1.5t;G4為鋼絲繩重量，考慮鋼絲繩下降到最低時(shí)的重量，根據(jù)徐工XGC650履帶吊說(shuō)明書(shū)，鋼絲繩為Φ28mm，根據(jù)吊車(chē)生產(chǎn)廠家提供資料Φ28mm鋼絲繩，重量3.85kg/m，鋼絲繩采用8倍率，則鋼絲繩重量為8×152×3.85=4682 kg，即為4.7t;G5為塔筒螺栓重量，M42-10.9螺栓176顆，螺母176顆，墊片352顆，重量為900kg。

負(fù)荷率η=G/Q×100%=92.4/110×100%≈84%≤90%，符合吊裝規(guī)范要求。

風(fēng)機(jī)底段塔筒為五段塔筒中為最重的一段，因此只對(duì)底段塔筒進(jìn)行校核吊車(chē)負(fù)荷率。第二至五段塔筒吊裝計(jì)算步驟與底段塔筒計(jì)算步驟相同，就不再贅述。

6? 結(jié)論

CAD建模法與傳統(tǒng)試吊法相比不僅提高了效率及經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)避免傳統(tǒng)試吊法的危險(xiǎn)性，降低了施工難度，預(yù)防了安全事故。同時(shí)建模法施工簡(jiǎn)單，可以在所有塔類(lèi)設(shè)備吊裝中推廣使用。

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作者簡(jiǎn)介：

蔣忠平（1992—），男，湖南省衡南縣，助理工程師，主要從事火電、風(fēng)電工程施工工作。

周建皓（1989—），男，貴州省貴陽(yáng)市，助理工程師，主要從事火電、風(fēng)電工程經(jīng)營(yíng)工作。

（中國(guó)電建集團(tuán)貴州工程有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）