采用液壓驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪翻轉(zhuǎn)工裝設(shè)計(jì)

何俊尉，趙海燕，應(yīng)華冬，何先照

(浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州310012)

0 引言

傳統(tǒng)的風(fēng)輪吊裝采取葉片與風(fēng)輪一體式吊裝方式，如圖1 所示，這種吊裝方式所占用的平臺(tái)面積大、吊車噸位高、安全臨界風(fēng)速小，會(huì)大幅延長(zhǎng)葉片吊裝作業(yè)的窗口期，增加吊裝成本。隨著風(fēng)電技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組向更高更大的方向發(fā)展，傳統(tǒng)吊裝方式將會(huì)逐步被單葉片吊裝方式所取代［1］，如圖2所示。單葉片吊裝方式在拼裝葉片前，需先將風(fēng)輪單獨(dú)吊裝與主機(jī)連接。所謂單葉片吊裝方式，就是將風(fēng)輪部分與葉片部分拆分后單獨(dú)吊裝的過程，幾乎所有風(fēng)輪位于地面上時(shí)都是拼接面豎直朝下的放置方式，而運(yùn)行中的風(fēng)輪與主機(jī)是水平連接的，因此在風(fēng)輪部分起吊前，需調(diào)節(jié)與主機(jī)拼接的角度。為了調(diào)節(jié)風(fēng)輪與主機(jī)對(duì)接前的位置，本文以某款2.5MW 機(jī)組風(fēng)輪為例，設(shè)計(jì)了一種基于液壓驅(qū)動(dòng)的風(fēng)輪翻轉(zhuǎn)工裝，可以快速調(diào)節(jié)風(fēng)輪吊裝前的姿態(tài)，從而更好地與主機(jī)進(jìn)行對(duì)接，為單葉片吊裝做好前期工作。

圖1 葉片風(fēng)輪一體式吊裝

圖2 單葉片吊裝

1 風(fēng)輪翻轉(zhuǎn)原理

風(fēng)輪翻轉(zhuǎn)過程即將圖3 中工位一所示的豎直放置的風(fēng)輪調(diào)節(jié)成圖3 工位五所示的角度的過程，需要用到兩部分工裝以及一臺(tái)主吊，翻轉(zhuǎn)支架與風(fēng)輪底部連接，液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與風(fēng)輪上的變槳軸承連接。主吊連接液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以處于地面的翻轉(zhuǎn)支架為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，緩慢抬升整個(gè)風(fēng)輪，其原理圖3 所示。

圖3 風(fēng)輪翻轉(zhuǎn)原理

如圖3 所示，風(fēng)輪整體放置于地面上，以A 點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)，主吊向上拉升；待B 點(diǎn)與地面接觸后，換以B 點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)，繼續(xù)向上拉升；當(dāng)?shù)觞c(diǎn)、風(fēng)輪重心以及點(diǎn)B 接近于一條直線并與地面呈90°時(shí)，如工位三所示，吊車緩慢施加拉力，將整個(gè)風(fēng)輪吊起離開地面，此時(shí)液壓缸內(nèi)呈保壓狀態(tài)；最后，釋放液壓缸內(nèi)油壓，風(fēng)輪自動(dòng)調(diào)整至與主機(jī)對(duì)接角度，如工位五所示。本文設(shè)計(jì)的吊具通過控制液壓缸出油量來實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)角度的精確控制，可應(yīng)用于不同的機(jī)型，只要液壓缸的工作壓力大于風(fēng)輪偏心引起的翻轉(zhuǎn)回復(fù)力即可。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

2 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整套工裝包括翻轉(zhuǎn)支架以及液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中風(fēng)輪豎直放置于翻轉(zhuǎn)支架上，液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安置于風(fēng)輪與葉片的拼接面上，兩者與風(fēng)輪都采用螺栓連接方式，整體工裝結(jié)構(gòu)參見圖5。

圖5 整體工裝結(jié)構(gòu)

2.1 翻轉(zhuǎn)支架設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)支架由工字鋼焊接而成，其結(jié)構(gòu)見圖6。受限于液壓缸的行程以及不同機(jī)型風(fēng)輪重心的影響，僅用一個(gè)旋轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)會(huì)造成翻轉(zhuǎn)支架過長(zhǎng)，從而使支架的應(yīng)力過大，很難滿足設(shè)計(jì)要求。分兩次采用不同的旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，能有效解決以上問題，同時(shí)也大大降低材料的成本。

圖6 翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)

2.1.1 翻轉(zhuǎn)過程受力及支架有限元分析

本案例中風(fēng)輪總重G = 40 000 kg，參照?qǐng)D3 所示的風(fēng)輪翻轉(zhuǎn)原理，根據(jù)力矩平衡定理，計(jì)算得到以A 點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)時(shí)主吊拉力為F1= 19 000 kg；以B點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)時(shí)主吊拉力為F2= 20 800 kg。建立支架翻轉(zhuǎn)過程的有限元模型，得到以下兩種工況仿真結(jié)果(圖 7、圖8)。

圖7 支點(diǎn)A 工況有限元分析結(jié)果

圖8 支點(diǎn)B 工況有限元分析結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可得支點(diǎn)A 工況最大Von Mises 應(yīng)力為 140 MPa，支點(diǎn) B 工況最大 Von Mises應(yīng)力為131 MPa，動(dòng)載影響系數(shù)取1.65，計(jì)算安全系數(shù)：

2.1.2 連接螺栓強(qiáng)度校核

設(shè)計(jì)采用16 顆M42 高強(qiáng)度連接螺栓，螺栓擰緊力矩為 700 N·m，螺栓屈服強(qiáng)度［σ］ = 940 MPa，單顆螺栓預(yù)緊力為F1= 127 400 N，摩擦系數(shù)取0.22，根據(jù)作圖法求得此時(shí)的切向力Fτ= 352 800 N。

抗滑移校核：

螺栓法向力Fn計(jì)算［2］，螺栓連接受力簡(jiǎn)圖如圖9：

圖9 螺栓連接受力簡(jiǎn)圖

根據(jù)力矩守恒定理聯(lián)立方程組求得最大螺栓預(yù)緊力Fn= 80 063 N。

螺栓扭矩為700 N·m，擰緊系數(shù)取1.45，扭矩系數(shù)為0.13。M42 螺栓有效截面積為S = 1 121 mm2。

螺栓應(yīng)力增量為：

螺栓預(yù)緊時(shí)的最大應(yīng)力：

螺栓最大應(yīng)力：

螺栓安全系數(shù)：

根據(jù)對(duì)翻轉(zhuǎn)支架不同工況下載荷以及連接螺栓的受力分析，可知設(shè)計(jì)滿足使用條件。

2.2 液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由主板、吊裝板以及液壓缸構(gòu)成，各部分之間通過銷軸連接，其結(jié)構(gòu)可參見圖4 中的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖。吊具主體采用Q460E 材料，銷軸采用42CrMo 材料。根據(jù)圖3 所示的風(fēng)輪翻轉(zhuǎn)原理，主要受力發(fā)生在工位四以及工位五。當(dāng)處于工位四時(shí)，液壓缸內(nèi)呈保壓狀態(tài)，液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)承受油壓產(chǎn)生的反作用力；當(dāng)處于工位五時(shí)，液壓缸已完成泄壓，此時(shí)液壓缸內(nèi)無壓力，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)僅承受風(fēng)輪重力作用。

采用有限元分析軟件Workbench 建立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元模型［3］，分別對(duì)兩種工位下的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，仿真結(jié)果圖10、圖11 所示。

圖10 工位四有限元分析結(jié)果

圖11 工位五有限元分析結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)最大Von Mises 應(yīng)力為 113 MPa，許用拉應(yīng)力為 ［σ］ =382 MPa，動(dòng)載影響系數(shù)取1.65，計(jì)算安全系數(shù)：

液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的吊耳、 銷軸以及液壓缸耳環(huán)處的強(qiáng)度可以通過工程計(jì)算方法得到，計(jì)算結(jié)果表明各部件的強(qiáng)度滿足使用要求(液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及翻轉(zhuǎn)支架實(shí)物如圖14 所示)。

3 液壓缸參數(shù)選擇

首先需要確定液壓缸的行程，根據(jù)液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)尺寸［4］，選擇液壓缸行程為570 mm，參照液壓缸相關(guān)選型標(biāo)準(zhǔn)，選擇液壓缸缸徑φ160 mm，桿徑φ90 mm；液壓缸工作壓力為25 MPa，液壓站工作壓力為5 MPa；最大外負(fù)載為33 000 kg，計(jì)算方法見圖12；液壓油流量為8.4 L/min，其控制原理見圖13。

圖12 液壓缸外負(fù)載

圖13 液壓控制原理

吊裝前將換向閥置于左位，液壓缸頂?shù)胶线m位置，此時(shí)外負(fù)載為0；調(diào)節(jié)換向閥處于中位，液壓缸位置鎖死，此時(shí)液壓缸承受的最大外負(fù)載為33 000 kg；最后調(diào)節(jié)換向閥處于右位，通過控制節(jié)流閥，緩慢釋放缸內(nèi)油壓，風(fēng)輪自動(dòng)調(diào)節(jié)到對(duì)接角度位置［5］。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著單槳葉吊裝技術(shù)廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片組裝，如何將風(fēng)輪調(diào)整成合適的角度與主機(jī)對(duì)接成為單槳葉吊裝技術(shù)所要解決的首要問題。本文設(shè)計(jì)的基于液壓驅(qū)動(dòng)的風(fēng)輪翻轉(zhuǎn)吊具，主要包括翻轉(zhuǎn)支架與液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)不同的載荷工況對(duì)工裝各部分進(jìn)行了強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果表明設(shè)計(jì)的風(fēng)輪翻轉(zhuǎn)工裝滿足使用要求，其實(shí)物如圖14 所示，通過現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況，證明該工裝能快速有效地對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時(shí)利用液壓機(jī)構(gòu)也能對(duì)拼接角度進(jìn)行調(diào)整，從而極大的縮減了吊裝作業(yè)工時(shí)。

圖14 吊具實(shí)物圖