風(fēng)電吊裝全地面起重機(jī)高聳臂架的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

武彥陽，張 哲，馬樂樂

河北建投張家口風(fēng)能有限公司，河北 張家口 076650

地面起重機(jī)具有技術(shù)含量高、性能好的特點(diǎn)，其發(fā)展和應(yīng)用給行業(yè)帶來了巨大的變化，有著光明的應(yīng)用前景，因此國(guó)內(nèi)外將該類機(jī)械作為重點(diǎn)發(fā)展的對(duì)象。由于起重機(jī)技術(shù)難度較大、價(jià)格較高，導(dǎo)致其推廣受限，但是經(jīng)過產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)的精進(jìn)，全地面起重機(jī)逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。雖然我國(guó)對(duì)于該技術(shù)的應(yīng)用起步較晚，但是發(fā)展迅速，不斷引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行改良，創(chuàng)造出了獨(dú)特的運(yùn)營(yíng)和應(yīng)用模式，為該技術(shù)在我國(guó)的大力發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 風(fēng)電吊裝專用臂架組成及參數(shù)

案例工程為西北部地區(qū)某省內(nèi)的風(fēng)電吊裝工程，該風(fēng)場(chǎng)位置海拔較高，氣候條件和安裝場(chǎng)地對(duì)工程影響較大。該風(fēng)電吊裝工程中，臂架結(jié)構(gòu)采用的是專用臂架。因此，文章針對(duì)專用臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.1 專用臂架組成

該工程所用的臂架為實(shí)腹式主臂+桁架式延伸節(jié)，專用臂架主要有主臂臂頭、專用副臂及支架、前后拉板。

（1）主臂臂頭。主臂臂頭的作用是使專用副臂和副臂支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，并且能夠起到支撐的作用。

（2）專用副臂。專用副臂是通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接或者鉸接連接起來的，通常由可變截面桁架組成，在薄弱部分，桁架填充在桿內(nèi)，使整個(gè)副臂變得更加堅(jiān)固，有助于提高二次臂的提升能力。因此，在進(jìn)行專業(yè)副臂設(shè)計(jì)時(shí)常采用變截面的桁架。

（3）副臂支架。支架底座與起重機(jī)主臂上部和支架底座成鉸接的模式，鉸接的模式可以當(dāng)作是前后牽引板的支撐，使移動(dòng)臂維持住自身的平衡。二次支架在拉板作用下承受軸向力，力狀態(tài)的變化可根據(jù)副臂支架的安裝角度和長(zhǎng)度進(jìn)行適度的優(yōu)化。

（4）前后拉板。前后拉板的主要作用是通過自身的變化來平衡風(fēng)電吊裝專用臂架和起重機(jī)原有臂架。在起重機(jī)運(yùn)行過程中，前后拉板僅承受軸向拉力，而不承受彎矩和軸向壓力。

1.2 專用臂架設(shè)計(jì)參數(shù)

風(fēng)場(chǎng)位置高，專用臂架基本上都是在海拔較高的地方才會(huì)應(yīng)用到，因而安裝過程受場(chǎng)地和氣候的影響，在進(jìn)行風(fēng)電吊裝時(shí)對(duì)起重機(jī)的要求較高。案例工程所選位置的海拔高度為2000～2600m，結(jié)構(gòu)中心輪高度為85m，發(fā)電機(jī)重量為39.1t，葉片直徑分別為77m和82m，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量為1.5MW。專用臂架的設(shè)計(jì)參數(shù)包含了長(zhǎng)度、支架長(zhǎng)度、安裝角度等，具體參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)取值表

2 全地面起重機(jī)臂架模型建立

2.1 模型建立

利用有限元對(duì)臂架進(jìn)行分析，步驟如下：（1）根據(jù)實(shí)際狀態(tài)對(duì)研究對(duì)象建立模型。（2）將研究對(duì)象分割成若干個(gè)單元體，單元結(jié)構(gòu)均勻、簡(jiǎn)單。這個(gè)過程被稱為離散的統(tǒng)一過程。（3）通過每一單元的求解來實(shí)現(xiàn)連續(xù)單元的求解。（4）多個(gè)單元需要嚴(yán)格按照一定的順序和組合方法進(jìn)行細(xì)分，并通過新的組合進(jìn)行幾何組織，主要目的是近似表示對(duì)象的實(shí)際情況。（5）用數(shù)值方法建立的系統(tǒng)可以通過求解線性方程組來求解復(fù)雜的偏微分方程。（6）通過軟件可以將計(jì)算結(jié)果自動(dòng)計(jì)算出來，再通過實(shí)際狀況對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理和驗(yàn)證。采用ANSYS軟件建立專用臂架的模型，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電吊裝專用臂架模型圖

2.2 荷載組合

額定起升荷載：緊密依托起重機(jī)荷載和吊索的現(xiàn)實(shí)要求，假定最大起動(dòng)重量為70t，沖擊系數(shù)為1.03，則起吊荷載為271000N。

自重荷載：模型建立時(shí)，在命令流對(duì)材料的單元屬性進(jìn)行定義，重力加速度g取9.8m/s2。導(dǎo)致起重機(jī)臂架振動(dòng)的原因較多，主要有電機(jī)振動(dòng)、負(fù)載滯后、風(fēng)荷載等，因此需盡量避免外部因素影響，才能使共振發(fā)生的可能性較小。

工作狀態(tài)風(fēng)荷載：由前文可知，起重機(jī)的工作環(huán)境為高海拔地區(qū)，風(fēng)力影響較大，計(jì)算過程中對(duì)風(fēng)荷載的影響不可忽略。

貨物偏擺荷載：在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)荷載情況按照最不利情況進(jìn)行相應(yīng)的組合。由計(jì)算可知起吊荷載為721000N，吊裝偏擺荷載為25177.8N。

3 臂架有限元模型分析

對(duì)起重機(jī)臂架前6階模態(tài)進(jìn)行分析可得頻率以及振動(dòng)幅度的變化，如表2所示。

表2 模態(tài)分析 單位：Hz

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率。計(jì)算公式如下：

式中：f1為發(fā)動(dòng)機(jī)的自身頻率，Hz；n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速達(dá)到2200r/min時(shí)，電機(jī)本身的頻率為36.67Hz，高于計(jì)算的動(dòng)臂頻率，由此可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速不太可能引起動(dòng)臂共振。

（2）貨物偏擺。計(jì)算公式如下：

式中：f2為吊重的擺動(dòng)頻率，Hz；l為吊重與吊鉤距離，m。

通過參數(shù)參考可知l的取值范圍為5～20m，重量的振蕩頻率在0.112～0.223Hz。這些值介于1階和3階頻率之間，因此負(fù)載偏差會(huì)導(dǎo)致動(dòng)臂共振。為了防止發(fā)生這種現(xiàn)象，起重機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)保持平穩(wěn)，減少振動(dòng)對(duì)臂架的影響。

（3）氣象框架的主要功能是探測(cè)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境中的氣流和溫度。氣象籠通過與起重機(jī)的固有頻率進(jìn)行比較來檢測(cè)風(fēng)力頻率，從而避免作業(yè)時(shí)因風(fēng)荷載而產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，主要對(duì)設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量、目標(biāo)函數(shù)三個(gè)主要基礎(chǔ)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，必須建立完整的有限元分析過程，主要工作包括建立模型、制作網(wǎng)格以及對(duì)結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)的荷載、添加約束條件并求解、分析應(yīng)力應(yīng)變、對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析判斷并處理。最后，通過對(duì)分析過程的保留，促進(jìn)設(shè)計(jì)過程的循環(huán)優(yōu)化。ANSYS軟件優(yōu)化的基本流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化流程圖

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可知，專用副臂和主臂以及桁架臂等的結(jié)構(gòu)大小已更改。優(yōu)化后，主臂輸出截面增大，其他元件優(yōu)化后的質(zhì)量將會(huì)減小，具體數(shù)值變化如表3所示。

表3 桿件截面參數(shù)變化表

因?yàn)闂U件的截面尺寸發(fā)生了變化，所以桿件的質(zhì)量也會(huì)發(fā)生改變。優(yōu)化后的前臂保持架重量估計(jì)為19520kg，后臂保持架重量估計(jì)為16850.36kg，質(zhì)量損失約為13.68%。

5 結(jié)論

文章通過對(duì)起重機(jī)臂架的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化得出以下結(jié)論：（1）專用臂架主要由主臂臂頭、副臂支架、前后拉板組成，其設(shè)計(jì)參數(shù)主要有重量、尺寸、安裝角度等。（2）通過分析臂架設(shè)計(jì)可知，對(duì)臂架工作狀態(tài)影響程度較大的有自重荷載、風(fēng)荷載以及貨物偏擺荷載。