馬振江，姚耀淙，丁捍東，葉路明

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；3.中交第三航務(wù)工程局有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315200）

0 引言

受海況的影響，在海上安裝重達(dá)460 t的風(fēng)機(jī)，其難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過陸上的風(fēng)機(jī)安裝。風(fēng)機(jī)海上整體安裝必須解決在風(fēng)浪條件下，因起重船吊運(yùn)風(fēng)機(jī)造成風(fēng)機(jī)底部法蘭與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承臺(tái)連接法蘭對(duì)接時(shí)周期性的碰撞而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)損壞的技術(shù)問題。

在海上風(fēng)機(jī)整體安裝時(shí)，需滿足機(jī)艙處的沖擊加速度不大于0.3g的要求[1]，為此提出風(fēng)機(jī)的柔性安裝方案，擬借助特定的緩沖裝置來解決風(fēng)機(jī)的軟著陸問題。之前已完成了緩沖裝置的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了單個(gè)緩沖裝置的室內(nèi)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。但多個(gè)緩沖裝置能否協(xié)同工作，以滿足海上風(fēng)機(jī)整體安裝的特殊要求，尚不得而知，需通過進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，為惡劣海況條件下安裝各類風(fēng)機(jī)提供科學(xué)依據(jù)。

1 緩沖裝置的設(shè)計(jì)

緩沖器設(shè)計(jì)采用氣囊復(fù)位、錐形棒節(jié)流式的緩沖器[2]。

1）節(jié)流方式：通過柱塞和節(jié)流棒之間具有規(guī)律的間隙，構(gòu)成節(jié)流環(huán)。當(dāng)高速物體沖擊到緩沖器時(shí)，在節(jié)流環(huán)與蓄能器的作用下，吸收沖擊能量，從而實(shí)現(xiàn)減速，達(dá)到緩沖的目的。

2）復(fù)位方式：在緩沖過程中，缸體和柱塞內(nèi)的部分液體將流入蓄能器，從而在蓄能器氣囊內(nèi)形成較高的氣體壓力。當(dāng)載荷撤離后，柱塞將在蓄能器內(nèi)的高壓氣體和自重的推動(dòng)下復(fù)位。緩沖器結(jié)構(gòu)形式及工作原理如圖1所示。

2 緩沖裝置性能模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案制定

風(fēng)機(jī)整體柔性安裝系統(tǒng)包括上部吊架系統(tǒng)、下部就位系統(tǒng)、平衡梁三大部分。由起重船的2個(gè)鉤頭通過平衡梁與上部吊架系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)整體吊起，移至承臺(tái)處的下部就位系統(tǒng)上方，緩慢放下，對(duì)中就位。

本模擬試驗(yàn)中需要測(cè)試的主要參數(shù)有：風(fēng)機(jī)安裝時(shí)緩沖器沖擊加速度、風(fēng)機(jī)向下位移以及緩沖器油缸活塞的位移等[4]。

為模擬海上實(shí)際安裝工況，需要確定風(fēng)機(jī)的質(zhì)量，根據(jù)實(shí)際情況，風(fēng)機(jī)自身重為460 t，風(fēng)機(jī)整體安裝輔助設(shè)備上部吊架系統(tǒng)重110 t，平衡梁重80 t，故風(fēng)機(jī)整體安裝總質(zhì)量為650 t。另需要確定模擬試驗(yàn)撞擊速度，根據(jù)東海風(fēng)機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)海況及起重船性能，結(jié)合我局前期《東海風(fēng)電場(chǎng)3 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)海上安裝駁船運(yùn)動(dòng)測(cè)試》報(bào)告，風(fēng)機(jī)整體安裝過程中海況為：風(fēng)力小于6級(jí)，波周期5 s，起重船船體最大起伏±750mm，起重船吊鉤下放最大速度為50 mm/s，經(jīng)計(jì)算，吊鉤相對(duì)于下部就位系統(tǒng)最大速度約為0.6～0.8m/s。

為在模擬試驗(yàn)過程中獲得與風(fēng)機(jī)相同質(zhì)量及海上撞擊速度的效果，需解決如何產(chǎn)生如此大的動(dòng)能及各類技術(shù)問題。

考慮到風(fēng)機(jī)整體安裝過程中決定碰撞力大小的關(guān)鍵因素是碰撞時(shí)的動(dòng)能，模擬試驗(yàn)時(shí)，降低碰撞物體的質(zhì)量，提高碰撞時(shí)的速度，保證碰撞時(shí)的動(dòng)能與風(fēng)機(jī)整體安裝過程中碰撞動(dòng)能的大小相同。在上部吊架系統(tǒng)加工成型的基礎(chǔ)上，決定采用安裝有8個(gè)緩沖器的海上風(fēng)機(jī)整體安裝上部吊具系統(tǒng)（總重110 t）進(jìn)行模擬緩沖裝置性能試驗(yàn)。根據(jù)動(dòng)能原理，模擬設(shè)備沖擊動(dòng)能應(yīng)與風(fēng)機(jī)整體安裝時(shí)產(chǎn)生的實(shí)際動(dòng)能相等。

式中：m1為風(fēng)機(jī)整體重，650 t；v1為風(fēng)機(jī)整體安裝最大撞擊速度，取為0.7m/s；m2為上部吊架系統(tǒng)重，110 t；v2為上部吊架系統(tǒng)所需的最大沖擊速度。

按上式計(jì)算得模擬試驗(yàn)上部吊架系統(tǒng)的撞擊速度應(yīng)為v2=1.70m/s。

然而，要使110 t重的設(shè)備達(dá)到如此快的速度，最合理的方式就是采用自由落體的形式，按照模擬試驗(yàn)上部吊架系統(tǒng)自由落體，若撞擊時(shí)速度為v2=1.70m/s，則要求上部吊架系統(tǒng)自由落體初始位置高度為：

根據(jù)上述高度計(jì)算結(jié)果，決定進(jìn)行3次模擬試驗(yàn)，第一、二次模擬試驗(yàn)的自由落體高度與計(jì)算值相近，由于設(shè)計(jì)緩沖器有一定的安全系數(shù)，故第三次模擬試驗(yàn)的自由落體高度遠(yuǎn)大于計(jì)算值，3次模擬試驗(yàn)上部吊架自由落體初始高度取為：115 mm、166 mm和260 mm。即模擬風(fēng)機(jī)整體吊裝時(shí)與承臺(tái)連接塔筒上法蘭表面碰撞的相對(duì)速度為 0.62m/s、0.74m/s、0.93m/s。

2.2 自脫鉤分離設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)裝置工藝設(shè)計(jì)

模擬試驗(yàn)首先需將110 t重的上部吊架系統(tǒng)起吊到設(shè)定高度，然后突然釋放，自由下落撞擊地面。為實(shí)現(xiàn)上述過程，需解決如下問題：

1）撞擊場(chǎng)地需具有一定的剛性，故需鋪設(shè)鋼板，同時(shí)配備吊機(jī)將上部吊架系統(tǒng)起吊至設(shè)定高度。

2） 設(shè)計(jì)自動(dòng)脫鉤裝置，由于要將110 t重的系統(tǒng)突然釋放，其固定設(shè)備會(huì)產(chǎn)生極大的反作用力，對(duì)起吊設(shè)備造成損壞，而且一般的脫鉤裝置及設(shè)備均難于實(shí)現(xiàn)如此大力的突然釋放。參考導(dǎo)彈發(fā)射分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)載火箭助推器分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]，采用3套鋼絲滑輪組承受110 t載荷，再用3組3CC0-200剪切式爆炸螺栓（表1）在50 ms內(nèi)同時(shí)爆炸剪斷螺栓，實(shí)現(xiàn)即時(shí)分?jǐn)嗟囊蟆?/p>

表1 剪切式爆炸螺栓性能參數(shù)Table1 Performance parameter of shear type exp losive bolt

自脫鉤分離設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)工藝布置實(shí)現(xiàn)方法如下：

①試驗(yàn)場(chǎng)地埋設(shè)3根φ1 200 mm的鋼樁，3根鋼樁內(nèi)部設(shè)相互隔離的自脫鉤裝置（保證自脫鉤后鋼絲繩不相互纏繞，以達(dá)到自由落體的目標(biāo)），3根鋼樁下部均開人孔，用于安裝自脫鉤設(shè)備及固定鋼絲繩。

②每根鋼樁頂部固定一個(gè)定滑輪，內(nèi)部設(shè)定位置焊接分離機(jī)構(gòu)1，同時(shí)設(shè)計(jì)分離機(jī)構(gòu)2，分離機(jī)構(gòu)1、2用以連接爆炸螺栓，平時(shí)由工藝螺栓連接，在上部吊架吊至設(shè)定高度后，安裝爆炸螺栓。

③在上部吊架均布固定3組動(dòng)滑輪及吊耳。

④分離設(shè)備2吊耳通過鋼絲繩張拉器連接至鋼絲繩，并通過滑輪組將鋼絲繩的另一端連接至上部吊架系統(tǒng)，共使用3組鋼絲繩，則分離機(jī)構(gòu)1連接的鋼絲繩拉力為110 t/（3×3）=12.2 t。考慮1.5的安全系數(shù)，故選擇爆炸螺栓單個(gè)受力為20 t。具體布置見圖2。

圖2 自脫鉤分離系統(tǒng)（單位：mm）Fig.2 Self-breakaway separation system(mm)

2.3 傳感器選型、測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試儀器

本次緩沖裝置性能模擬測(cè)試中，主要測(cè)試參數(shù)為加速度和位移。

根據(jù)風(fēng)機(jī)上部吊架系統(tǒng)底座結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)，共布置4個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)，采用加速度傳感器，測(cè)點(diǎn)布置在吊架系統(tǒng)下環(huán)梁；布置4個(gè)緩沖器油缸測(cè)點(diǎn)，采用拉線式長度傳感器，測(cè)點(diǎn)布置在4個(gè)緩沖器油缸附近。傳感器測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

本次測(cè)試采用CRAS振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)和INV組合式抗混濾波放大器。

采用壓電式加速度傳感器，通過CRAS振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)可以直接測(cè)出碰撞過程各測(cè)點(diǎn)的加速度，使用磁性底座固定在測(cè)點(diǎn)處。用拉線式位移傳感器測(cè)試緩沖器活塞位移，位移傳感器通過螺栓固定在加工配件上。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程

2009年2月11日在寧波市北侖區(qū)白峰滿洋船廠進(jìn)行了東海風(fēng)電安裝工程緩沖裝置性能模擬試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工藝流程如下：

1）完成整個(gè)測(cè)試設(shè)備的安裝與布線。

2）吊機(jī)將上部吊架系統(tǒng)起吊至設(shè)定高度，將鋼絲繩張緊，之后將分離機(jī)構(gòu)2與分離機(jī)構(gòu)1通過2個(gè)工藝螺栓連接，固定整個(gè)上部吊架，將吊機(jī)與上部吊架系統(tǒng)脫離，上部吊架在自重作用下使鋼絲繩張緊。

3） 通過鋼絲繩張拉器微調(diào)3組滑輪組鋼絲繩，調(diào)整上部吊架自由落體初始高度至設(shè)定位置，安裝3組爆炸螺栓固定分離機(jī)構(gòu)2與分離機(jī)構(gòu)1，最后拆除3組工藝螺栓。

4） 同時(shí)起爆3枚爆炸螺栓（之間誤差不大于5ms），上部吊架系統(tǒng)自由下落，完成整個(gè)撞擊模擬試驗(yàn)，測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)的初步分析

本次模擬試驗(yàn)共進(jìn)行了3種工況的試驗(yàn)，表2列出了實(shí)測(cè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)在各工況的下落高度。

表2 各工況下落高度值Table2 Falling heightvalue in differentoperating conditions mm

表3列出了4個(gè)測(cè)點(diǎn)在各工況下的位移和加速度的實(shí)測(cè)值。由于壓電式傳感器的頻響范圍在1～5 000 Hz，而系統(tǒng)自由落體過程的頻率為0 Hz，因此在自由落體過程的加速度測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差。

表3 位移、速度、加速度檢測(cè)結(jié)果匯總表Table 3 Test resultsof displacement,velocity and acceleration

4.1 加速度分析

從表3可以看出，各工況下每個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)加速度值都比較大，最大達(dá)到了7.1g，看似遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.3g的風(fēng)機(jī)安裝要求，但超過0.3g的時(shí)間在150ms內(nèi)，據(jù)有關(guān)專家分析，實(shí)際的風(fēng)機(jī)安裝過程中，因風(fēng)機(jī)機(jī)倉距撞擊底部約80m，沖擊加速度不會(huì)大于0.3g。

取爆炸螺栓引爆后上部吊架系統(tǒng)底座開始下落后800 ms的一段時(shí)間為研究對(duì)象（800 ms以后每個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度基本都?xì)w于0），這段時(shí)間包括系統(tǒng)的自由落體過程以及碰撞-緩沖過程。典型的測(cè)點(diǎn)3在各工況下的加速度曲線如圖3所示。表4列出了每個(gè)測(cè)點(diǎn)的自由落體過程以及碰撞加速度超過0.3g的時(shí)間。

圖3 實(shí)測(cè)加速度曲線Fig.3 Themeasured acceleration curve

表4 實(shí)測(cè)加速度信號(hào)分析Table 4 Signalanalysisof themeasured acceleration ms

工況二和工況三因每個(gè)測(cè)點(diǎn)距地面實(shí)際高度存在一定差異，造成每個(gè)測(cè)點(diǎn)碰撞時(shí)刻不一致，每個(gè)測(cè)點(diǎn)自由落體過程總時(shí)間也不一致（表4），因每個(gè)測(cè)點(diǎn)碰撞時(shí)刻不一樣，會(huì)相互影響，加速度變化比較復(fù)雜，但各個(gè)緩沖器的協(xié)調(diào)工作性能良好。

4.2 位移分析

緩沖器活塞的最終位移隨著上部吊架系統(tǒng)下落高度的增大而增大，試驗(yàn)過程中相同工況每個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移變化比較接近。從典型的工況二測(cè)點(diǎn)4位移曲線（圖4）可看出，上部吊架系統(tǒng)在緩沖器位移到達(dá)一定的臨界數(shù)值后處于停頓狀態(tài)，停頓時(shí)間約為6 s，工況三出現(xiàn)了同樣的情況，停頓時(shí)間也約為6 s。工況一由于活塞最終位移小于臨界位移，并沒有出現(xiàn)上述的停頓過程。這種情況的出現(xiàn)符合緩沖器的設(shè)計(jì)要求，緩沖器的能量吸收能力良好。

圖4 工況二測(cè)點(diǎn)4位移曲線Fig.4 Disp lacement curve ofmeasure point4 in condition 2

5 結(jié)語

1）3次緩沖裝置性能模擬測(cè)試，在沖擊遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)實(shí)際安裝沖擊性能的工況三情況下（自由落體高度為260mm），底座測(cè)點(diǎn)最大加速度為7.1g；在稍大于風(fēng)機(jī)實(shí)際安裝沖擊性能的工況二情況下（自由落體高度為166mm），底座測(cè)點(diǎn)最大加速度為6.0g，經(jīng)分析，風(fēng)機(jī)整體安裝過程中沖擊加速度不會(huì)大于此，且加速度超過0.3g的時(shí)間小于100 ms，如上的瞬時(shí)沖擊可以忽略不計(jì)，故測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際的風(fēng)機(jī)安裝過程中，由于加速度從風(fēng)機(jī)底部傳到頂部有個(gè)衰減過程，目前較難在理論上建立這種衰減關(guān)系，建議風(fēng)機(jī)實(shí)際安裝過程中，直接在頂部機(jī)艙附近安裝加速度傳感器，以測(cè)試機(jī)艙的實(shí)際加速度值。

2）上部吊架系統(tǒng)在緩沖器活塞位移到達(dá)一定的臨界數(shù)值后會(huì)處于停頓狀態(tài)，停頓時(shí)間與沖擊能量的大小有關(guān)，符合緩沖器的設(shè)計(jì)初衷；試驗(yàn)證明8組緩沖器協(xié)調(diào)工作性能良好。緩沖裝置試驗(yàn)結(jié)果為海上風(fēng)機(jī)整體安裝打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]中交第三航務(wù)工程局有限公司.東海3MW風(fēng)機(jī)海上安裝規(guī)程[R].2009.CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Installation specification forDonghai3MW offshoreunitedwind turbine[R].2009.

[2] 周瓊，詹永麒，朱昌明.活塞式蓄能器在電梯用液壓緩沖器中的應(yīng)用[J].流體傳動(dòng)與控制，2006（3）：25-28.ZHOU Qiong,ZHAN Yong-qi,ZHU Chang-ming.Application of piston accumulator in oil buffer used in elevator[J].Fluid Power Transmission and Control,2006(3):25-28.

[3]谷良賢.導(dǎo)彈總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.GU Liang-xian.Generalstructure design of guidedmissile[M].Xi′an:Northwestern PolytechnicalUniversity Press,2004.

[4]中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司.上海東海風(fēng)電安裝工程軟著陸系統(tǒng)模擬試驗(yàn)測(cè)試報(bào)告[R].2009.Shanghai Third Harbour Engineering Science&Technology Research Institute Co.,Ltd.,ShanghaiHarbor Quality Control&Testing Co.,Ltd.Test report on soft landing system simulation experiment of ShanghaiDonghaiwind power installation engineering[R].2009.