倒挂式液压升降系统结构强度分析

王贇，冯浩

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

目前近海风电机组的安装主要由风电安装平台、浮吊等设备完成，其中自升式风电安装平台是当前风电安装运维的主力军。自升式风电安装平台的升降系统目前主要有2种驱动形式：齿轮齿条式；液压油缸式。应用广泛的油缸顶升式液压升降系统根据油缸和环梁在围阱内布置形式又分为正置式和倒挂式两种。上海振华重工(集团)股份有限公司(以下简称振华重工)为中铁建某公司设计建造的1 300 t风电平台4 800 t升降系统环梁结构设计至关重要，考虑对升降系统环梁结构在工作、锁紧、失效等工况下的强度进行分析，验证结构设计的合理性，为后续设计提供借鉴。

1 升降系统的结构设计

液压升降系统是升降环梁通过油缸与船体相连，通过上下环梁升降油缸的步进运动实现平台的连续升降[1]。倒挂式液压升降系统，是指升降环梁与油缸位置颠倒，使得升降油缸一端与环梁连接另一端及围阱结构顶部的上导向相连，环梁结构倒着挂在围阱上导向的下面。两种形式的升降系统结构见图1。

图1 液压升降系统结构简图

升降系统主要由环梁结构、升降油缸、液压系统和电控系统等组成。连续型液压升降系统设有上下两个环梁，按照高度位置位于上方的称为上环梁(或称高位环梁)，位于下方的称为下环梁(或称低位环梁)，基本结构大致相同，区别是与升降油缸连接的吊耳布置位置不同。4 800 t倒挂式液压升降系统的环梁结构见图2[2]，三维模型见图3。

图2 4 800 t倒挂升降环梁结构

图3 4 800 t倒挂升降结构模型

2 工况及载荷

2.1 工况

单腿额定升降载荷为4 800 t，最大支撑和压桩载荷均为7 200 t，最大拔桩载荷为4 500 t;单环梁配置4个插销销轴组件，8套升降油缸。

根据升降系统工作状态将其工况分为升降、压载、拔桩、拖航及风暴自存5个子工况[3]。根据规范要求，单环梁需满足锁紧能力，在单个插销或销轴失效时能保证平台安全[4]。因此，根据升降系统工作状态及规范要求，将升降系统计算工况分为工作、锁紧和失效工况[5]。

2.2 各工况的载荷

2.2.1 工作工况

系统在平台预压载工况和风暴工况上下环梁同时承载；在拔桩工况和升降工况上下环梁交替承载；拖航工况依桩腿位置单个环梁承载。各子工况的环梁载荷分配见表1。

表1 环梁载荷分配表

工作工况下，预压载和拔桩工况属于静载工况，预压载工况环梁耳板受压，拔桩工况环梁耳板受拉，这2个工况环梁受力方向不同，因此分别计算。风暴、升降和拖航属于动载工况，油缸耳板均受压且升降工况下受载最大，因此仅校核升降工况。综上，工作工况下根据动静载、受力方向以及承载大小分预压载、拔桩及升降共5个子工况对环梁强度进行校核(拔桩工况下，因下环梁结构更弱，仅校核下环梁强度可覆盖上环梁的强度计算),见表2。

表2 环梁分析工况、载荷表

2.2.2 锁紧工况

根据规范要求，上下环梁做锁紧(记为LC6，LC7)时所承受的载荷不小于该腿所承受的最大载荷(70 560 kN)，单个油缸(共8个)最大拉力为8 820 kN，单个销孔处受力为17 640 kN。

2.2.3 失效工况

升降工况中，一组环梁承载，当失效一个销子时，由另外3个销子承载48 000 kN；当失效1个油缸时，由另外7个油缸承载48 000 kN。

站立工况中，由2组环梁承载，失效1个销子时，1个环梁仍为4个销子承载36 000 kN，另1个环梁为3个销子承载36 000 kN；当失效1个油缸时，1个环梁仍为8个油缸承载36 000 kN，另1个环梁为7个油缸承载36 000 kN。

综上，在失效同样部件下，升降工况中环梁受载大于站立工况，因此在升降工况下对环梁结构在失效单1插销或油缸情况按表3中的4种工况进行计算。

表3 失效工况载荷

3 有限元分析

3.1 有限元模型

4 800 t液压升降系统上下环梁结构是由高强钢板焊接而成的环状结构，高、低位环梁主结构受4组升降油缸拉(推力)及4个插销垂向载荷，以桩腿为中心90°，4等分，结构及受力形式相同，建立1/4包含单组油缸、单个销孔的结构模型。轴套及部分板件厚度适中，采用Shell181壳单元建模，网格整体大小为50 mm×50 mm。在ANSYS中建立有限元模型，见图4、5[6]。

图4 上环梁1/4 Ansys模型

图5 下环梁1/4Ansys模型

3.2 约束和加载

3.2.1 工作工况

环梁结构在工作工况下，通过插销销轴和升降油缸分别连接桩腿与船体来传递升降和工作过程中的各种载荷，上环梁结构模型加载见图6，下环梁结构类似。

图6 环梁结构加载示意

有限元分析模型中施加的载荷相互平衡，因此在上下环梁防扭结构外侧面中点以及两侧筋板中点共4点施加固定铰约束，实际计算结果约束点的支反力结果较小，不影响整体分析。各工况约束见图7。

图7 环梁结构约束示意

3.2.2 锁紧工况

锁紧工况环梁的受力形式与工作工况相同，仅载荷有别，约束和加载与工作工况类似。

3.2.3 失效工况

1)单根销轴失效。在损失1个销子情况下，环梁原有均衡受力被打破，剩余3个销子承受不均衡载荷。采用杆单元模拟销轴与插销轴套建立连接，对销轴中心进行约束。升降油缸通过油缸销轴与环梁油缸耳板连接，单环梁所有升降油缸共管路，因此所有升降油缸压力相同，环梁竖直载荷由现有8个油缸平均承受，单一销轴失效工况下的加载和约束情况见图8。

图8 单一销轴失效工况加载&约束

2)单根油缸失效。在损失1个油缸的情况下，原有平衡打破，2个销子承受不均衡载荷。同样采用杆单元模拟销轴并与插销轴套建立连接。升降油缸通过油缸销轴与环梁油缸耳板连接，单环梁所有升降油缸共管路，因此所有升降油缸压力相同，环梁竖直载荷由剩余7个油缸平均承受，单1油缸失效工况下的加载和约束见图9。

图9 单一油缸失效工况加载&约束

3.3 应力汇总

环梁主结构材料为EH550高强钢，部分筋板材料为EH36。

根据CCS规范，对于静载工况，等效应力安全系数取1.43。对于组合工况，等效应力安全系数取1.11。对于锁紧和失效工况，按照材料屈服强度校核结构强度。

工作工况下环梁结构Von Mises应力见表4。

表4 工作工况环梁结构Von Mises应力 MPa

由表3可见,上下环梁最大应力均出现在工作工况。

锁紧工况环梁结构Von Mises应力,见表5。

表5 锁紧工况环梁结构Von Mises应力 MPa

失效工况环梁结构Von Mises应力见表6。

表6 失效工况环梁结构Von Mises应力 MPa

4 现场使用

从2019年12月交付至今，中铁建1 300 t风电平台已经在东海、南海等海域完成了多个项目的风机安装工作，总体运行平稳，表现优异，尤其在如东某海域进行风机安装过程中突发插销油缸故障，现场采用单环梁3插销结构成功实现紧急升降。单环梁3插销实现升降不仅证明了结构强度满足要求，可以在失效工况应急使用，同时也验证了计算的正确性。

5 结论

1)锁紧和失效工况环梁结构的应力比工作工况大，因此在升降系统使用过程中应加强维护，尽量避免升降环梁在锁紧和失效工况下使用；

2)从各工况计算结果来看，低位环梁的最大应力均大于高位环梁结构，在使用中应加强对低位环梁尤其是高应力区的检查；

3)单销轴失效工况下，理论上因受力平衡可能出现单环梁仅有两个插销承载的情况，在紧急情况下使用时应加强观察，在平台升降到安全位置时应立即停止，换成站位模式，并对环梁结构进行必要的检查。