陳祖強　陸忠華

上海振華重工(集團)股份有限公司

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基于LS-DYNA風電安裝起重機溜樁工況安全高度計算

陳祖強陸忠華

上海振華重工(集團)股份有限公司

針對風電起重機打樁過程中可能出現(xiàn)的溜樁現(xiàn)象，基于ANSYS/LS-DYNA顯性動力學分析，合理簡化起重機打樁時掛鉤段鋼絲繩與樁錘模型，獲得鋼絲繩拉力與樁錘位移的實時變化數(shù)據(jù)，并同能量守恒法計算結(jié)果對比，得到掛鉤段鋼絲繩合理松繩量，為風電起重機打樁作業(yè)提供可靠的施工數(shù)據(jù)和安全保證。

風電； 溜樁； 起重機； ANSYS/LS-DYNA

1　前言

風能作為一種清潔可再生能源，越來越受到世界各國的重視，特別是風力發(fā)電行業(yè)，國內(nèi)這幾年正蓬勃發(fā)展，配套的風電起重設(shè)備及相關(guān)新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。如何提高風電起重機打樁效率， 確保作業(yè)安

面加工精度。加工中保證軸承結(jié)合面、刀架上平面以及上法蘭面三者平面平行極為重要，軸承面為基準，其他兩個平面保證與基準面平行。車削后須保證平面度和光潔度在0.2 mm以內(nèi)。

3.6拆除保險下放過程

機加工后切割軸承框架，以及防風保險等。倒檔位置切割槽鋼后必須用角磨機打磨光滑后方可將倒檔支座放上。門機下放過程為頂升過程的反向操作，操作過程必須聽同一指揮人員統(tǒng)一指揮，每次下放在50 mm以內(nèi)進行1次測量調(diào)整，保證4點誤差在5 mm范圍內(nèi)，通過一次倒檔后可將門機放下。在完全放到位置前將各處螺栓穿孔到位，調(diào)整軸承位置使螺栓不受剪切力。

3.7緊螺栓過程

在軸承完全放到位后用手將螺柱上下螺母帶好，保證上下至少有3扣外露，螺母下面加高強平墊，嚴禁使用彈簧墊。軸承調(diào)整定位后，用力矩扳手分低、中、高3次預緊，并按交叉180°方向?qū)ΨQ擰緊，步驟順序按說明手冊。最后使安裝螺栓預緊力達到螺栓屈服強度的70%，即10.9級螺栓預緊力為665 kN。

3.8試車檢測

安裝好軸承及中心滑環(huán)電氣和集中潤滑、接油盤、小齒輪等附件后，對大軸承進行加油試車測試。用1檔回轉(zhuǎn)試車，檢查齒面嚙合情況，聽回轉(zhuǎn)時是否有異響，測量齒節(jié)圓徑向跳動間隙是否小于0.7 mm，軸承與法蘭面結(jié)合處間隙是否小于0.2 mm。再進行2檔和4檔測試，確認左右和最大最小變幅回轉(zhuǎn)均無異常，試車運轉(zhuǎn)平穩(wěn)無噪聲后，可恢復正常使用。

趙雍：061113，河北省滄州市渤海新區(qū)

全，一直成為風電起重設(shè)備行業(yè)的熱門話題[1]。本文針對風電起重機打樁過程中可能出現(xiàn)的溜樁現(xiàn)象，基于ANSYS/LS-DYNA進行顯性動力學分析，得到掛鉤鋼絲繩拉力與樁錘位移的實時變化數(shù)據(jù)，并同能量守恒法計算結(jié)果對比，為風電起重機打樁作業(yè)提供可靠的施工數(shù)據(jù)和安全保證。

2　溜樁分析及其危害

我國東南沿海地區(qū)地質(zhì)復雜，地基軟硬變化沒有規(guī)律。起重機帶樁施工過程中，偶爾會出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象。一般情況，溜樁有2種情況：一是樁基在起吊或在穩(wěn)樁過程中產(chǎn)生下降，這種情況完全可以依靠地面技術(shù)人員認真監(jiān)測予以克服；另一種是在沉樁時，貫入度突然變大，樁基加速下降，若對溜樁預計不足，不僅對樁身本體會造成裂縫、斷樁等危險，而且對起重機也會造成傷害，嚴重時機毀人亡。

以第2種情況為例，溜樁對起重機的危害主要表現(xiàn)為：打樁初始，起升鋼絲繩松弛(見圖1)，打樁錘重量全部由鋼樁承擔；打樁錘啟動后(或運行一段時間)，地基一下被擊穿，樁基加速下降，出現(xiàn)溜樁，在無有效保護措施情況下，打樁錘立即懸空，以近似自由落體的方式向下運動直至鋼絲繩繃緊(見圖2)，此時會對起重機造成巨大沖擊，使吊鉤、滑輪、鋼絲繩及鋼結(jié)構(gòu)等起重機部件受到不同程度的損壞。起升繩松弛量越大，打樁錘自由落體產(chǎn)生的沖擊力就越大，如果鋼絲繩等承受的載荷超出相關(guān)安全設(shè)計載荷，勢必對起重機造成極大破壞。在設(shè)計起重機時，也是不允許鉤頭及重物產(chǎn)生高速重載類沖擊載荷的。因此，分析第2種溜樁過程及其所產(chǎn)生的沖擊影響，可為打樁作業(yè)時提供可靠依據(jù)和安全保障[2]。

圖1　打樁初始起升鋼絲繩松弛

圖2　打樁錘懸空鋼絲繩繃緊

3　溜樁安全高度計算

3.1安全高度計算思路

以某項目打樁起重機為例，為簡化動力學計算模型，將鉤頭及以上部分，連同起重機一起視為整體，通過ANSYS建立有限元模型，計算打樁工況下的起重機部分結(jié)構(gòu)剛度。ANSYS/LS-DYNA中只需要考慮樁錘及其與鉤頭之間的掛鉤段鋼絲繩，其中該掛鉤鋼絲繩的剛度采用起重機整機剛度。經(jīng)過重復多次驗算，初定鋼絲繩松弛高度，也就是樁錘自由落體高度為340 mm，到掛鉤鋼絲繩開始受力時，樁錘自身會產(chǎn)生一個初速度，與重力加速度一起作為動態(tài)計算中質(zhì)量單元樁錘的初始載荷。經(jīng)過仿真分析，可以得到掛鉤鋼絲繩拉力與樁錘位移之間的關(guān)系，同時，將該段鋼絲繩最大拉力與設(shè)計安全載荷進行比較，驗證初定鋼絲繩松弛高度的合理性。

3.2起重機整體剛度計算

整機剛度計算所需的基本數(shù)據(jù)如下：

吊鉤總成和打樁錘

(以S800液壓沖擊錘為例)

總質(zhì)量281.4 t

起重機結(jié)構(gòu)剛度

K1=1.689e7N/m

鋼絲繩的彈性模量

E=1.3e11N/m2

鋼絲繩線密度

ρ=11.75 kg/m

繞繩倍率

m=20

鋼絲繩懸掛長度

L=68 m

鋼絲繩設(shè)計安全載荷

Fs=8.447e6N

彈性模量E，線密度ρ，繞繩倍率m及鋼絲繩懸掛長度L代入(1)式得：

(1)

K1和K2代入(2)式，得到起重機整機剛度：

(2)

3.3仿真計算

3.3.1邊界條件

設(shè)定掛鉤段鋼絲繩原長1 m，樁錘自由落體高度H=0.34 m，到掛鉤段鋼絲繩開始受力時樁錘自身會產(chǎn)生一個初速度，與重力加速度一起作為動態(tài)計算中的載荷。

3.3.2計算結(jié)果

由LS-DYNA仿真計算可知，當t=0.315 s時，樁錘Y向位移變化值達到最大，為646.5 mm，對應掛鉤鋼絲繩拉力達到最大值8.41e6N(見圖3～5)。

圖3　t=0.315 s時樁錘Y向位移及掛鉤段鋼絲繩拉力云圖

圖4　t=0～1 s掛鉤鋼絲繩拉力時程圖

圖5　t=0～1 s樁錘Y向位移時程圖

3.4理論驗證

將掛鉤段鋼絲繩視為彈簧，根據(jù)能量守恒原理，可知彈簧伸長量為ΔL時彈簧儲存的能量為1/2×K×(ΔL)2，相應的勢能減少量為m×g×(H+ΔL)，即為：

(3)

式中，ΔL和H為未知量，式(3)方程無法直接求解，在實際計算時可先確定一個H值，此時上式轉(zhuǎn)變成一個一元二次方程，解此方程可得到ΔL，再跟據(jù)彈簧拉力計算公式：

(4)

求出自由落體H時鋼絲繩的受力。根據(jù)3.3.1設(shè)定，取H=0.34 m，根據(jù)式(3)得到：ΔL=0.647 m；由(4)式得：F=K×ΔL=8.422e6N。

ΔL=0.647 m 和F=8.422e6N與3.3.2節(jié)LS-DYNA仿真計算結(jié)果近似一致，由此可見仿真計算結(jié)果是合理可信的；同時，兩者計算所得的掛鉤段鋼絲繩最大拉力均接近并小于鋼絲繩設(shè)計安全載荷Fs(見3.2)，因此，自由落體安全高度的最大值為0.34 m。

4　結(jié)語

為了保證打樁作業(yè)的起重設(shè)備安全，作業(yè)開始時盡量對打樁地質(zhì)進行詳細勘察，避免因地基問題或操作失誤而導致溜樁事故，同時，鉤頭與樁錘間的掛鉤段鋼絲繩松繩距離需保證在安全范圍之內(nèi)。

本文借助ANSYS/LS-DYNA顯性動力學分析平臺，合理簡化起重機打樁時掛鉤段鋼絲繩與樁錘模型，得到鋼絲繩拉力與樁錘位移的實時變化數(shù)據(jù)，并同能量守恒法理論計算結(jié)果對比，最終得到掛鉤段鋼絲繩合理安全的松繩量，應用于某項目風電起重機實際打樁作業(yè)中，取得良好的預期效果，為起重機用戶贏得安全保證和進度保障。

[1]劉志杰，劉曉宇，孫德平，等. 海上風電安裝技術(shù)及裝備發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].船舶工程，2015：1-4.

[2]郭生昌,吳少霖. 沉樁施工溜樁問題分析及解決措施[J]. 水運工程，2011：163-166.

陳祖強：200125，上海市東方路3261號

收稿日期：2016-05-24

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.05.013

Calculation of Safe-height-range for Wind Power Installation Crane in Pile Running Working Condition Using LS-DYNA Module

Chen ZuqiangLu Zonghua

Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.,Ltd.

In view of pile running phenomenon that happened in the wind power crane′s piling process, this paper establishes a reasonable simplified model of hook rope and pile hammer using the ANSYS/LS-DYNA explicit dynamic analysis module. From the dynamic simulation, it is able to obtain real-time data of the axial force of the rope and displacement of pile hammer. Then the model is compared with the result that obtained from the energy conservation method. From the comparison, it is observed that a reasonable rope slack range is obtained with dynamic simulation, which provides reliable engineering date and security assurance for wind power crane′s piling.

wind power; pile running; crane; ANSYS/LS-DYNA

2016-01-23

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.05.012