施洪慧 孫凱澤

（領(lǐng)新（南通）重工有限公司，江蘇 南通 226017）

0 引言

目前風(fēng)能作為再生清潔新能源之一被廣泛利用，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品品種繁多，前景廣闊，海上風(fēng)電比陸上風(fēng)電具有更多的優(yōu)勢。海上風(fēng)電機(jī)組的塔筒基礎(chǔ)具有體積龐大、重量重等特點(diǎn)，且由于無專用吊梁，造成安裝吊運(yùn)過程極其困難和繁瑣。海上風(fēng)電機(jī)組安裝有整機(jī)安裝法和分體安裝2 種[1]，為了更加安全高效地完成安裝作業(yè)，近年來以在制作廠區(qū)整機(jī)模塊式將風(fēng)機(jī)整體安裝好，然后用特殊風(fēng)機(jī)安裝運(yùn)輸船運(yùn)輸?shù)街付êＳ蜻M(jìn)行下沉式整體安裝的方案尤為先進(jìn)突出，此安裝方式具有良好的市場前景。在整機(jī)安裝海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)時，需要配備一些大噸位及大起升高度的專用起重機(jī)械，尤其對于重量和體積超大的塔筒基礎(chǔ)的吊運(yùn)對起重設(shè)備及其輔助吊具更提出了極高的要求[2]。

傳統(tǒng)吊運(yùn)貨物一般采用在起重機(jī)械的吊鉤下加掛簡易吊具，或者直接使用鋼絲繩卸扣等方式。而隨著起吊貨物的尺寸重量不同，需要配備不同規(guī)格的吊具或者鋼絲繩。這樣頻繁地更換吊具，不僅浪費(fèi)了大量的時間，還需要人工進(jìn)行輔助操作，存在勞動強(qiáng)度大、工作效率低、作業(yè)成本高、安全隱患多等缺點(diǎn)。對于大型工件的吊裝目前有單一扁擔(dān)梁式，但因吊具起吊點(diǎn)在一直線上，重心不好控制，起吊過程易側(cè)翻[3]。另有一種框架結(jié)構(gòu)吊具有4 個吊點(diǎn)，克服了單一梁式的不平衡性，但起吊范圍固定，只能用于同一種規(guī)格的工件，應(yīng)用仍然有局限性[4]。因此需要開發(fā)一款既要平衡性好，又能夠調(diào)整吊裝范圍的吊具，以高效安全地完成風(fēng)電塔筒基礎(chǔ)的吊裝作業(yè)任務(wù)。

1 研制目的

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)部分主要由葉片、塔筒筒體、塔筒基礎(chǔ)3 個部分組成，其中塔筒基礎(chǔ)起到基礎(chǔ)穩(wěn)固作用，并需要有足夠抵抗海上抗風(fēng)和潮浪影響而傾覆的能力，因此需要有相當(dāng)大的重量和尺寸。塔筒基礎(chǔ)隨著風(fēng)電機(jī)組的規(guī)格的不同，尺寸重量也有較大差異，在吊裝龐大而極重的塔筒基礎(chǔ)時，因沒有配套的吊裝工具，使得吊裝作業(yè)困難重重。通常需要許多人手，利用升降車到達(dá)各起吊位置，將各分離的掛具分別固定好，再與起重吊機(jī)的吊鉤進(jìn)行掛鉤工作，勞動強(qiáng)度極大，工作效率低，且屬于空中作業(yè)安全隱患也極高。另由于不同功率的風(fēng)電機(jī)組的塔筒基礎(chǔ)尺寸各異，不同直徑的基礎(chǔ)起吊吊點(diǎn)位置也各不相同，這就需要使用倒多種規(guī)格的吊具以適應(yīng)不同的塔筒基礎(chǔ)的吊裝作業(yè)。

該文以海上風(fēng)力發(fā)電行業(yè)塔筒基礎(chǔ)600 t 專用梁式吊具作為研究對象，展開系統(tǒng)的分析研究，以獲得一種可快速調(diào)節(jié)起吊范圍的專用吊梁[5]，該吊梁不論是承載能力，還是吊裝范圍，以及操作便捷性方面都較傳統(tǒng)吊具有了很大改進(jìn)，并可推廣應(yīng)用于風(fēng)電產(chǎn)品等其他大工件的吊裝生產(chǎn)，使之與快速發(fā)展的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)相匹配。

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

該專用吊梁是針對不同起吊位置的工件進(jìn)行研究設(shè)計的，設(shè)計的目的是在起吊各結(jié)構(gòu)尺寸不同的工件時，能平衡好吊點(diǎn)，快速、安全、平穩(wěn)、有效地進(jìn)行起吊作業(yè)。

為了實現(xiàn)以上目的，合理地調(diào)節(jié)吊裝范圍，本案例吊梁設(shè)計起吊能力為600 t，整根吊梁總長約38 m，包含有主梁和副梁各2 根，采用對稱式雙支承主梁和雙支撐副梁的“井”字結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計有4 組軌道，每組軌道的設(shè)計承載能力為150 t，分別安裝在主梁和副梁底板上[4]。如圖1、圖2 所示。

設(shè)計的4 組滑輪組可在軌道里進(jìn)行滑動，來滿足各工件的起吊點(diǎn)位置要求。起吊前先將專用吊梁上的滑輪組移動到起吊點(diǎn)位置，然后用2 組M20×100 的螺栓對每個滑輪組進(jìn)行頂緊固定，防止滑輪組在軌道里隨意的滑動，保證吊點(diǎn)的平衡，滿足起吊時的安全、穩(wěn)定、有效，這種操作非常便捷快速，如圖3 所示。

3 計算選用

考慮到吊梁需要承載一定的載荷，梁體部分一般采用符合GB/T 699《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T 1591《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T 3077 《合金結(jié)構(gòu)鋼》和GB/T 16270《高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼熱處理和控軋鋼板》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的材料。本科調(diào)節(jié)吊梁主體結(jié)構(gòu)選用材料為Q345B，安全系數(shù)k=2，許用應(yīng)力為[σ]=220 MPa[4]。吊梁上部設(shè)立2 個與起重機(jī)的吊鉤，吊鉤起重量為2×300 t=600 t， 考慮動載系數(shù)φ=1.0。利用ANSYS 9.0 計算程序分別進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力及滑輪軸應(yīng)力計算分析。

吊具最大應(yīng)力值為σmax=16.795 kN/cm2=167.95 MPa，結(jié)構(gòu)材料為Q345B，σs=325 MPa， [σ]=345/2=172.5 MPa，σmax＜ [σ]。主體結(jié)構(gòu)符合使用要求。

參照圖4，滑輪軸力和參數(shù)按最大力工況如下：

圖1 600 t 可調(diào)節(jié)范圍塔筒基礎(chǔ)專用吊梁結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 600 t 可調(diào)節(jié)范圍塔筒基礎(chǔ)專用吊梁模型圖

最大力：N=308.7 kN

軸外開檔：A=190 mm

軸內(nèi)開檔：B=86 mm

軸擋板厚度：C=40 mm

軸直徑：D=90 mm

軸材質(zhì)：40 Cr

屈服強(qiáng)度：σs=540 MPa

應(yīng)力計算如下：

軸最大彎矩：Mmax=N/2×（A/2-C/2-B/4）

截面抗彎模數(shù)：W=πD3/32

應(yīng)力計算公式：σ= Mmax/W=115.38 MPa

許用應(yīng)力：[σ]= σs/1.5=360 MPa

應(yīng)力校核：σ/[σ]=32.05%。

滑輪軸滿足設(shè)計要求。

圖3 吊梁、軌道、滑輪安裝示意圖

4 應(yīng)用效果

設(shè)計科學(xué)。與原有單一扁擔(dān)式吊梁或鋼絲繩吊索具相比，此種可調(diào)節(jié)吊裝范圍的吊梁結(jié)構(gòu)優(yōu)越性明顯。單梁式平衡性差，用于超大構(gòu)件重心不穩(wěn)定。該吊梁面對大小規(guī)格各異的工件時，能平衡好各起吊點(diǎn)位置，有利于控制實際工況，提高了工件在起吊、轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的平衡性。因為是利用了對稱“井”字結(jié)構(gòu)，合理分配各吊點(diǎn)的載荷，避免了因載荷分配不均而導(dǎo)致索具損壞及工件傾覆事件的發(fā)生。

操作方便。原先為了吊裝一個塔筒基礎(chǔ)，光準(zhǔn)備工作都要花費(fèi)半天時間，還需要多人配合方能完成?，F(xiàn)在只需要將此吊梁一次性固定在起重機(jī)的吊鉤上，使用時將吊梁下降到接近地面高度，再將吊梁滑輪沿著吊梁下的滑輪移動到需要起吊的位置，然后快速以螺栓固定住，一個人便可以完成操作，非常便捷，效率提高了近50%。

安全經(jīng)濟(jì)。使用此吊梁不僅避免了原來起吊風(fēng)電塔筒時需要多人力及多設(shè)備配合的狀況，不用為了掛鉤登高作業(yè)，而且還降低了勞動強(qiáng)度，減少了安全隱患，提高了工作效率。生產(chǎn)成本得到了很好的控制。

推廣價值高。此種新型可調(diào)節(jié)吊裝范圍吊梁，不僅可用于風(fēng)電塔筒基礎(chǔ)的吊裝，也可用于風(fēng)電塔筒等其他構(gòu)件的安裝吊運(yùn)，使用范圍廣，解決了風(fēng)電塔筒基礎(chǔ)等大型構(gòu)件的起吊安裝難題，確保了風(fēng)電產(chǎn)品安裝項目吊運(yùn)的安全可靠。

圖4 滑輪軸應(yīng)力分析圖

5 結(jié)語

在現(xiàn)有的起重輔助設(shè)備研究設(shè)計的基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計方法，遵循節(jié)能環(huán)保原則，采用對稱式雙支承主梁和雙支撐副梁的“井”字結(jié)構(gòu)形式，增大起重吊裝承載重量的范圍。采用三維模擬結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究，提高了吊梁的使用性能，減少了起吊移動時故障發(fā)生的機(jī)率。將塔筒基礎(chǔ)吊梁的主梁采用軌道與滑輪相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模式，可快速適用于不同規(guī)格工件的起吊。通過對海上風(fēng)電塔筒基礎(chǔ)用可調(diào)節(jié)吊裝范圍吊梁的研制及應(yīng)用，創(chuàng)造了國內(nèi)根據(jù)不同筒徑起吊輔助吊具的首例，具有重要的現(xiàn)實意義和推廣應(yīng)用價值。