倒掛式液壓升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

王贇，馮浩

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

目前近海風(fēng)電機(jī)組的安裝主要由風(fēng)電安裝平臺(tái)、浮吊等設(shè)備完成，其中自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)是當(dāng)前風(fēng)電安裝運(yùn)維的主力軍。自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的升降系統(tǒng)目前主要有2種驅(qū)動(dòng)形式：齒輪齒條式；液壓油缸式。應(yīng)用廣泛的油缸頂升式液壓升降系統(tǒng)根據(jù)油缸和環(huán)梁在圍阱內(nèi)布置形式又分為正置式和倒掛式兩種。上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱振華重工)為中鐵建某公司設(shè)計(jì)建造的1 300 t風(fēng)電平臺(tái)4 800 t升降系統(tǒng)環(huán)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，考慮對(duì)升降系統(tǒng)環(huán)梁結(jié)構(gòu)在工作、鎖緊、失效等工況下的強(qiáng)度進(jìn)行分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓升降系統(tǒng)是升降環(huán)梁通過(guò)油缸與船體相連，通過(guò)上下環(huán)梁升降油缸的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的連續(xù)升降[1]。倒掛式液壓升降系統(tǒng)，是指升降環(huán)梁與油缸位置顛倒，使得升降油缸一端與環(huán)梁連接另一端及圍阱結(jié)構(gòu)頂部的上導(dǎo)向相連，環(huán)梁結(jié)構(gòu)倒著掛在圍阱上導(dǎo)向的下面。兩種形式的升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 液壓升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

升降系統(tǒng)主要由環(huán)梁結(jié)構(gòu)、升降油缸、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成。連續(xù)型液壓升降系統(tǒng)設(shè)有上下兩個(gè)環(huán)梁，按照高度位置位于上方的稱為上環(huán)梁(或稱高位環(huán)梁)，位于下方的稱為下環(huán)梁(或稱低位環(huán)梁)，基本結(jié)構(gòu)大致相同，區(qū)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(tǒng)的環(huán)梁結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2[2]，三維模型見(jiàn)圖3。

圖2 4 800 t倒掛升降環(huán)梁結(jié)構(gòu)

圖3 4 800 t倒掛升降結(jié)構(gòu)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(huán)梁配置4個(gè)插銷銷軸組件，8套升降油缸。

根據(jù)升降系統(tǒng)工作狀態(tài)將其工況分為升降、壓載、拔樁、拖航及風(fēng)暴自存5個(gè)子工況[3]。根據(jù)規(guī)范要求，單環(huán)梁需滿足鎖緊能力，在單個(gè)插銷或銷軸失效時(shí)能保證平臺(tái)安全[4]。因此，根據(jù)升降系統(tǒng)工作狀態(tài)及規(guī)范要求，將升降系統(tǒng)計(jì)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(tǒng)在平臺(tái)預(yù)壓載工況和風(fēng)暴工況上下環(huán)梁同時(shí)承載；在拔樁工況和升降工況上下環(huán)梁交替承載；拖航工況依樁腿位置單個(gè)環(huán)梁承載。各子工況的環(huán)梁載荷分配見(jiàn)表1。

表1 環(huán)梁載荷分配表

工作工況下，預(yù)壓載和拔樁工況屬于靜載工況，預(yù)壓載工況環(huán)梁耳板受壓，拔樁工況環(huán)梁耳板受拉，這2個(gè)工況環(huán)梁受力方向不同，因此分別計(jì)算。風(fēng)暴、升降和拖航屬于動(dòng)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(jù)動(dòng)靜載、受力方向以及承載大小分預(yù)壓載、拔樁及升降共5個(gè)子工況對(duì)環(huán)梁強(qiáng)度進(jìn)行校核(拔樁工況下，因下環(huán)梁結(jié)構(gòu)更弱，僅校核下環(huán)梁強(qiáng)度可覆蓋上環(huán)梁的強(qiáng)度計(jì)算),見(jiàn)表2。

表2 環(huán)梁分析工況、載荷表

2.2.2 鎖緊工況

根據(jù)規(guī)范要求，上下環(huán)梁做鎖緊(記為L(zhǎng)C6，LC7)時(shí)所承受的載荷不小于該腿所承受的最大載荷(70 560 kN)，單個(gè)油缸(共8個(gè))最大拉力為8 820 kN，單個(gè)銷孔處受力為17 640 kN。

2.2.3 失效工況

升降工況中，一組環(huán)梁承載，當(dāng)失效一個(gè)銷子時(shí)，由另外3個(gè)銷子承載48 000 kN；當(dāng)失效1個(gè)油缸時(shí)，由另外7個(gè)油缸承載48 000 kN。

站立工況中，由2組環(huán)梁承載，失效1個(gè)銷子時(shí)，1個(gè)環(huán)梁仍為4個(gè)銷子承載36 000 kN，另1個(gè)環(huán)梁為3個(gè)銷子承載36 000 kN；當(dāng)失效1個(gè)油缸時(shí)，1個(gè)環(huán)梁仍為8個(gè)油缸承載36 000 kN，另1個(gè)環(huán)梁為7個(gè)油缸承載36 000 kN。

綜上，在失效同樣部件下，升降工況中環(huán)梁受載大于站立工況，因此在升降工況下對(duì)環(huán)梁結(jié)構(gòu)在失效單1插銷或油缸情況按表3中的4種工況進(jìn)行計(jì)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(tǒng)上下環(huán)梁結(jié)構(gòu)是由高強(qiáng)鋼板焊接而成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，高、低位環(huán)梁主結(jié)構(gòu)受4組升降油缸拉(推力)及4個(gè)插銷垂向載荷，以樁腿為中心90°，4等分，結(jié)構(gòu)及受力形式相同，建立1/4包含單組油缸、單個(gè)銷孔的結(jié)構(gòu)模型。軸套及部分板件厚度適中，采用Shell181殼單元建模，網(wǎng)格整體大小為50 mm×50 mm。在ANSYS中建立有限元模型，見(jiàn)圖4、5[6]。

圖4 上環(huán)梁1/4 Ansys模型

圖5 下環(huán)梁1/4Ansys模型

3.2 約束和加載

3.2.1 工作工況

環(huán)梁結(jié)構(gòu)在工作工況下，通過(guò)插銷銷軸和升降油缸分別連接樁腿與船體來(lái)傳遞升降和工作過(guò)程中的各種載荷，上環(huán)梁結(jié)構(gòu)模型加載見(jiàn)圖6，下環(huán)梁結(jié)構(gòu)類似。

圖6 環(huán)梁結(jié)構(gòu)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(huán)梁防扭結(jié)構(gòu)外側(cè)面中點(diǎn)以及兩側(cè)筋板中點(diǎn)共4點(diǎn)施加固定鉸約束，實(shí)際計(jì)算結(jié)果約束點(diǎn)的支反力結(jié)果較小，不影響整體分析。各工況約束見(jiàn)圖7。

圖7 環(huán)梁結(jié)構(gòu)約束示意

3.2.2 鎖緊工況

鎖緊工況環(huán)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(gè)銷子情況下，環(huán)梁原有均衡受力被打破，剩余3個(gè)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(duì)銷軸中心進(jìn)行約束。升降油缸通過(guò)油缸銷軸與環(huán)梁油缸耳板連接，單環(huán)梁所有升降油缸共管路，因此所有升降油缸壓力相同，環(huán)梁豎直載荷由現(xiàn)有8個(gè)油缸平均承受，單一銷軸失效工況下的加載和約束情況見(jiàn)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(gè)油缸的情況下，原有平衡打破，2個(gè)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(guò)油缸銷軸與環(huán)梁油缸耳板連接，單環(huán)梁所有升降油缸共管路，因此所有升降油缸壓力相同，環(huán)梁豎直載荷由剩余7個(gè)油缸平均承受，單1油缸失效工況下的加載和約束見(jiàn)圖9。

圖9 單一油缸失效工況加載&約束

3.3 應(yīng)力匯總

環(huán)梁主結(jié)構(gòu)材料為EH550高強(qiáng)鋼，部分筋板材料為EH36。

根據(jù)CCS規(guī)范，對(duì)于靜載工況，等效應(yīng)力安全系數(shù)取1.43。對(duì)于組合工況，等效應(yīng)力安全系數(shù)取1.11。對(duì)于鎖緊和失效工況，按照材料屈服強(qiáng)度校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

工作工況下環(huán)梁結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力見(jiàn)表4。

表4 工作工況環(huán)梁結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力 MPa

由表3可見(jiàn),上下環(huán)梁最大應(yīng)力均出現(xiàn)在工作工況。

鎖緊工況環(huán)梁結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力,見(jiàn)表5。

表5 鎖緊工況環(huán)梁結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力 MPa

失效工況環(huán)梁結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力見(jiàn)表6。

表6 失效工況環(huán)梁結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力 MPa

4 現(xiàn)場(chǎng)使用

從2019年12月交付至今，中鐵建1 300 t風(fēng)電平臺(tái)已經(jīng)在東海、南海等海域完成了多個(gè)項(xiàng)目的風(fēng)機(jī)安裝工作，總體運(yùn)行平穩(wěn)，表現(xiàn)優(yōu)異，尤其在如東某海域進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝過(guò)程中突發(fā)插銷油缸故障，現(xiàn)場(chǎng)采用單環(huán)梁3插銷結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)緊急升降。單環(huán)梁3插銷實(shí)現(xiàn)升降不僅證明了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，可以在失效工況應(yīng)急使用，同時(shí)也驗(yàn)證了計(jì)算的正確性。

5 結(jié)論

1)鎖緊和失效工況環(huán)梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比工作工況大，因此在升降系統(tǒng)使用過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)，盡量避免升降環(huán)梁在鎖緊和失效工況下使用；

2)從各工況計(jì)算結(jié)果來(lái)看，低位環(huán)梁的最大應(yīng)力均大于高位環(huán)梁結(jié)構(gòu)，在使用中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)低位環(huán)梁尤其是高應(yīng)力區(qū)的檢查；

3)單銷軸失效工況下，理論上因受力平衡可能出現(xiàn)單環(huán)梁僅有兩個(gè)插銷承載的情況，在緊急情況下使用時(shí)應(yīng)加強(qiáng)觀察，在平臺(tái)升降到安全位置時(shí)應(yīng)立即停止，換成站位模式，并對(duì)環(huán)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的檢查。