張 珂，白小龍，龍彥澤，李俊宏，孫 佳，吳玉厚

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

風(fēng)機(jī)外部維修平臺(tái)抗傾覆穩(wěn)定性分析

張 珂，白小龍，龍彥澤，李俊宏，孫 佳，吳玉厚

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

基于牽引式風(fēng)機(jī)外部維修起重平臺(tái)整機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用力矩平衡法建立風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)整機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型，分析計(jì)算出兩種危險(xiǎn)工況下平臺(tái)整機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性情況，并采用有限元分析法對(duì)平臺(tái)框架進(jìn)行特征值屈曲分析。分析結(jié)果證明該風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)整機(jī)在工作狀態(tài)下可達(dá)到整機(jī)穩(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，平臺(tái)框架亦滿足穩(wěn)定性要求，并可為風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)；整機(jī)穩(wěn)定性；力矩平衡法；有限元分析法

風(fēng)電維修起重平臺(tái)通常應(yīng)用在大型風(fēng)電設(shè)備的安裝和維修工程中，可用于灘涂、山丘等大型起重機(jī)械不能進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)合，具有施工便捷、轉(zhuǎn)移方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)電機(jī)組常年處在酷熱、嚴(yán)寒等惡劣的環(huán)境下進(jìn)行工作，故由機(jī)械部件的磨損而引發(fā)的故障不可避免，日常維護(hù)可以解決較小的故障，但一些主要零部件的損壞卻需要整體更換。風(fēng)機(jī)外部維修起重平臺(tái)主要用途就是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)部的零部件進(jìn)行吊裝、維修及更換，由于其使用場(chǎng)合的特殊性，用戶對(duì)其整體穩(wěn)定性要求越來越強(qiáng)烈。本文采用力矩平衡法計(jì)算風(fēng)機(jī)外部維修起重平臺(tái)整機(jī)的抗傾覆能力，用ANSYS Workbench軟件對(duì)風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)進(jìn)行特征值屈曲分析，得出整機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性的結(jié)論。

1 工作原理及工況分析

1.1 工作原理

風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)主要由夾緊機(jī)構(gòu)、平臺(tái)框架、起重機(jī)構(gòu)及牽引機(jī)構(gòu)4部分組成，其中夾緊機(jī)構(gòu)和起重機(jī)構(gòu)都固定在平臺(tái)框架上。平臺(tái)工作時(shí)頂艙內(nèi)的纜繩垂至地面，與一個(gè)滑輪組相連，并將其送至渦輪機(jī)頂部，形成頂艙牽引系統(tǒng)。隨后頂艙牽引系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)維修起重平臺(tái)送至風(fēng)機(jī)塔筒的頂部。當(dāng)平臺(tái)到達(dá)風(fēng)機(jī)塔筒頂端之后，利用液壓裝置控制收縮夾緊機(jī)構(gòu)，抱住風(fēng)機(jī)塔筒，讓整個(gè)維修設(shè)備在高空更加穩(wěn)固，使得它在離地面約70m、風(fēng)速高達(dá)15m的高空也能安全工作。風(fēng)機(jī)維修起重平臺(tái)整機(jī)三維Solidworks模型如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)維修起重平臺(tái)整機(jī)三維模型

1.2 工況分析

根據(jù)風(fēng)機(jī)維修過程的作業(yè)性質(zhì)、作業(yè)性能，可知維修平臺(tái)在工作過程中可能出現(xiàn)以下3種極限工況，分別為起重臂左懸吊、中間懸吊及右懸吊三種狀態(tài)，其中起重臂左懸吊與右懸吊工況受力情況相似，只是起重臂右懸吊過程中機(jī)構(gòu)重心相對(duì)銷軸中心位置力矩更長(zhǎng)，產(chǎn)生的彎矩更大，因此我們僅就右懸吊和中間懸吊兩種工況進(jìn)行分析計(jì)算。

工況1:起重臂右懸吊、額定起重量10t、吊重距回轉(zhuǎn)中心距離3.2m；工況2:起重臂中間懸吊、額定起重量10t、吊重距回轉(zhuǎn)中心距離3.2m。為了便于分析計(jì)算，絞盤、吊車、抱卡液壓站等均用小長(zhǎng)方體代替，工況1、2示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 工況1示意圖

圖3 工況2示意圖

2 整機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性分析與計(jì)算

風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)整機(jī)的抗傾覆能力由平臺(tái)自重相對(duì)支撐平面的傾覆軸線具有的力矩決定。當(dāng)外力相對(duì)支撐平面的傾覆軸線產(chǎn)生的傾覆力矩小于抗傾覆力矩時(shí)，平臺(tái)保持穩(wěn)定不傾覆，反之，平臺(tái)產(chǎn)生傾覆。根據(jù)高空作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，借鑒已有的起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算方法，本文采用力矩平衡法分別計(jì)算兩種工況下的橫向及縱向穩(wěn)定力矩和傾覆力矩，比較穩(wěn)定性安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。

2.1 工況1下的整機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性模型求解

在不影響分析計(jì)算的情況下，為了便于觀察以及節(jié)省空間，將起重機(jī)構(gòu)伸縮臂縮合狀態(tài)來表示吊臂全伸長(zhǎng)13m，吊臂仰角為75°時(shí)的狀態(tài)。懸吊式風(fēng)機(jī)外部維修起重平臺(tái)橫向與縱向的受力分析圖如圖4所示。

在工況一條件下，利用力矩平衡法，分別列出風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)橫向和縱向整機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)模型。

2.1.1 工況1下的平臺(tái)整機(jī)橫向抗傾覆穩(wěn)定性分析計(jì)算

穩(wěn)定力矩

圖4 平臺(tái)受力分析示意圖

其中：MS為穩(wěn)定力矩；F為夾緊臂夾緊力；L1為夾緊臂夾緊力作用點(diǎn)到傾覆點(diǎn)Q的垂直距離；θ為平臺(tái)底盤允許的最大傾角，取θ=1°。

傾覆力矩

其中：Mt為傾覆力矩；Gt為平臺(tái)組件自重；L2為平臺(tái)組件自重作用點(diǎn)到傾覆點(diǎn)Q的垂直距離；G為吊重；L3為吊重作用點(diǎn)到傾覆點(diǎn)Q的垂直距離；Ge為隨車吊重量；L4為隨車吊重心到傾覆點(diǎn)Q的垂直距離；Gk為液壓站總重量；L5為液壓站重心到傾覆點(diǎn)Q的垂直距離；Fe為作用在隨車吊上的風(fēng)力，L6為風(fēng)力在隨車吊上的作用點(diǎn)到傾覆點(diǎn)Q的垂直距離。

依據(jù)GB 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)的穩(wěn)定性安全系數(shù)

可見工況1條件下，雖然穩(wěn)定性安全系數(shù)接近于1，但是平臺(tái)工作過程中遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到如圖所示的極限位置，所以平臺(tái)橫向是穩(wěn)定的。

2.1.2 工況1下平臺(tái)整機(jī)縱向抗傾覆穩(wěn)定性分析計(jì)算

穩(wěn)定力矩

其中：L8為平臺(tái)組件自重作用點(diǎn)到傾覆點(diǎn)Q的垂直距離。

傾覆力矩

其中：Fz為作用在設(shè)備上的風(fēng)力；L7為風(fēng)力在設(shè)備上的作用點(diǎn)到傾覆點(diǎn)Q的垂直距離。

依據(jù)GB3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，高空平臺(tái)的穩(wěn)定性安全系數(shù)

可見在工況1條件下，平臺(tái)整機(jī)的縱向是穩(wěn)定的，并且還有非常大的安全儲(chǔ)備。

2.2 工況2整機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性模型求解

在工況2條件下，懸吊式風(fēng)機(jī)維修起重平臺(tái)整機(jī)橫向和縱向受力分析如圖5所示。

圖5 平臺(tái)縱向受力分析示意圖

利用力矩平衡法分別列出平臺(tái)整機(jī)橫向和縱向抗傾覆穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)模型。

2.2.1 工況2下平臺(tái)整機(jī)橫向抗傾覆穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定力矩

傾覆力矩

依據(jù)GB 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，高空平臺(tái)的穩(wěn)定性安全系數(shù)

所以在工況2條件下，平臺(tái)整機(jī)橫向也是穩(wěn)定的。

2.2.2 工況2下平臺(tái)整機(jī)縱向抗傾覆穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定力矩

傾覆力矩

依據(jù)GB 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，高空平臺(tái)的穩(wěn)定性安全系數(shù)

所以在工況2條件下，平臺(tái)整機(jī)縱向也是穩(wěn)定的。

3 風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)局部穩(wěn)定性分析與計(jì)算

平臺(tái)框架主要由工字鋼和槽鋼焊接而成，包括底部承重梁和側(cè)向加強(qiáng)梁。它是風(fēng)電維修起重平臺(tái)的主要承重部件，該部分穩(wěn)定性的好與壞，對(duì)保證風(fēng)機(jī)施工安全、減少安全事故具有十分重要的意義。其上放置起重吊臂和液壓站等部件。在風(fēng)電維修起重平臺(tái)工作的時(shí)候，與平臺(tái)底盤固定連接的法蘭盤會(huì)承受很大的力矩載荷，而后部的承重梁要承受液壓站和液壓絞盤等部件的重力載荷。平臺(tái)整機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，網(wǎng)格劃分工作量非常大，故僅對(duì)平臺(tái)框架進(jìn)行分析，本文利用ANSYS workbench分析軟件模擬風(fēng)機(jī)維修起重平臺(tái)整機(jī)的實(shí)際工作情況，創(chuàng)建平臺(tái)機(jī)構(gòu)的APDL參數(shù)化模型，進(jìn)行該平臺(tái)框架的特征值屈曲分析。

3.1 建立簡(jiǎn)化實(shí)體模型

考慮到工字鋼、槽鋼的材料特性，能夠承受拉、壓、彎、扭特性，材料的彈性模量E＝70GPa，泊松比λ＝0.3，密度ρ＝2.7t/m3。網(wǎng)格劃分完畢后，平臺(tái)框架有限元模型如圖6所示，該模型共有94454個(gè)節(jié)點(diǎn)，40820個(gè)單元。

圖6 平臺(tái)框架有限元模型

3.2 平臺(tái)框架特征值屈曲分析

對(duì)已建立的平臺(tái)框架有限元模型施加約束和外載荷：在平臺(tái)4個(gè)連接板的孔面上施加固定支撐模擬懸臂梁的固定端，對(duì)2根主要承重工字鋼頂面距離工字鋼末端1825mm的節(jié)點(diǎn)處施加豎直向下的單位集中力載荷，對(duì)平臺(tái)框架施加豎直向上的重力加速度，用慣性力來模擬其重力，指定總變形為計(jì)算結(jié)果求解結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，然后指定總變形即屈曲模態(tài)為計(jì)算結(jié)果，求解線性屈曲分析，得出平臺(tái)機(jī)構(gòu)前6階的屈曲特征值和屈曲模態(tài)，平臺(tái)框架前6階屈曲特征值如表1所示。

表1 平臺(tái)框架前6階屈曲特征值

查看屈曲模態(tài)結(jié)果和屈曲載荷因子，如圖7所示，圖中左上方顯示的Load Multiplier值即為屈曲載荷因子，由于結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析時(shí)施加的是單位載荷，所以平臺(tái)框架的臨界壓力值等于屈曲載荷因子，即平臺(tái)框架的臨界壓力值為375990N。這在風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)的實(shí)際工作中是非常安全的，不會(huì)發(fā)生屈曲破壞，因此平臺(tái)框架具有很好的穩(wěn)定性。

圖7 平臺(tái)框架屈曲模態(tài)

4 結(jié) 論

1）本文利用力矩平衡法，建立了風(fēng)機(jī)外部維修平臺(tái)整機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型，根據(jù)現(xiàn)行的起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)風(fēng)機(jī)維修起重平臺(tái)進(jìn)行了整機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性分析，分析計(jì)算出兩種工況下整機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在兩種危險(xiǎn)工況下，懸吊式風(fēng)電維修起重平臺(tái)整機(jī)穩(wěn)定性良好，不會(huì)發(fā)生傾覆現(xiàn)象。

2）利用ANSYS workbench分析軟件對(duì)平臺(tái)框架進(jìn)行了特征值屈曲分析，分析結(jié)果表明，該平臺(tái)框架在實(shí)際工作過程中不會(huì)發(fā)生屈曲破壞，能夠達(dá)到穩(wěn)定性要求，可以滿足風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)。

3）此外，該風(fēng)機(jī)維修平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊、維修方便等特點(diǎn)，在風(fēng)機(jī)維修、維護(hù)等實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)取得良好的工作效果。

[1] GB 19155-2003，高處作業(yè)吊籃[S]．

[2] 張 珂，趙 亮，孫 佳，等．14m大型高空作業(yè)平臺(tái)力學(xué)性能分析[J]．沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，26（4)：772-776．

[3] 張 珂，黃小征，陳建平，等．自行式高空作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J]．中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，11（1)：11-15．

[4] 鄭夕健，謝正義，張國(guó)忠．基于ANSYS的塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J]．建筑機(jī)械，2007，(11)：76-78.

[5] 趙愛瓊．如何保證汽車起重機(jī)的抗傾覆能力[J]．工程機(jī)械，2003，（12)：17-18.

[6] 劉曉婷，趙洪亮，刑 宇，等．高空作業(yè)平臺(tái)抗傾覆穩(wěn)定性分析[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械，2011，(1)：19-22．

(編輯 賈澤輝）

Resist overturning stability analysis on wind turbine external maintenance platform

ZHANG Ke, BAI Xiao-long, LONG Yan-ze, LI Jun-hong, SUN Jia, WU Yu-hou

TH211+.6

B

1001-1366(2015)11-0041-04

2015-09-10