风电机组机舱变频器更换专用工具设计*

文 | 丛智慧，安利强，王鹏

风电机组机舱变频器更换专用工具设计*

文 | 丛智慧，安利强，王鹏

机舱内部变频器是风电机组维护的重要内容，其更换与维修需要专业化设备。风电机组变频器安装在风力发电机组机舱内部，为减少占有空间，风电机组机舱内部各设备的排布非常紧凑，变频器损坏后更换时受到空间与设备重量的限制。由于变频器重量较大，更换工作需要人员数量较多，一般需要4人左右，另外由于机舱内部空间狭小，不利于多人操作，而且存在人员伤害及设备损坏等安全隐患。目前国内外没有用于风电机组机舱内部变频器更换的专用装置，急需开发此类专用装置。在机舱内部，由于机舱空间狭小，装备主要靠人员携带上下，因此对机舱内部主要维护设备提出了更高的要求，要求设备使用方便、可人工操作、重量轻。通过设计专业化的维护设备，可以提高风力发电机组维护效率。

结构设计

一、总体结构

风电机组变频器更换专用工具最大起升高度711mm，载重200kg，由工作平台、升降机构、底座组成，见图1。工作平台由直线型导轨、滑块、支承钢架组成，用于进入变频器底部间隙并将其水平移入或移出。升降机构由八根内外交错的剪叉杆、液压装置、结构钢架组成，用于将工作平台举升和降落至所需高度。底座采用矩形框架结构，其上部设有带孔钢板和带滑道钢板，其下部安装具备刹车功能的万向脚轮，用于保证各个部件稳定工作。

二、导轨及滑块设计

根据需要选择直线导轨，直线导轨用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承受一定的弯矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。直线导轨具有自动调心能力，其自动调心能力来自于圆弧沟槽的DF组合，即工作时有安装面的偏差也能够被线轨滑块内部所吸收，产生自动调心能力的效果，从而得到更高精度稳定的平滑运动。直线导轨所有方向都有高刚性，运用四列式圆弧沟槽，配合四列钢珠，钢珠与圆弧沟槽的接触角度为45，使钢珠达到理想的两点接触，因此导轨可承受来自上下和左右方向的负荷。

三、工作平台设计

工作平台的组成为支承钢架，直线型导轨及滑块；当工作时由于滑块提供支反力和弯矩、直线型导轨可简化为悬臂梁模型，重物自重W＝200×10＝2000N，每根承重管承重Q＝1000N，当变频器压在钢管上时，可简化为均布载荷q＝2222N/m，简化受力模型如图2所示。

图1 专用工具结构示意图

图2 简化受力模型

根据矩形钢管标准(GB/T3094-2000)，选择矩形钢管的截面宽b＝16mm，高h＝32mm，壁厚s＝2mm，材料为Q235A型。弯曲应力对钢管的影响远大于剪切应力对材料的影响，故按照弯曲应力对材料进行强度校核，弯矩图如图3所示。

此矩形钢管的抗弯截面系数：

式中，b1为工作平台所用钢管矩形截面的短边长度，h1为工作平台所用钢管矩形截面的长边长度，s1为工作平台所用钢管厚度。

最大弯曲应力：

许用应力：

由 式（1） 及 式（2） 可 得σmax＝ 202.41MPa。 其中Mmax为最大弯矩，由图3可知其值为275N·m；σ为Q235A型钢的屈服极限，其值为235MPa；n为安全系数，取1。σmax＜[σ]，故工作平台所用钢管的设计满足强度要求。

为使两根承重钢管在移动时能共同运动，在两根承重钢管内侧的外壁焊有同样截面，同样长度矩形钢管，为方便操作人员在任意一侧推拉承重钢管，在两根承重钢管外侧的外壁焊有外径17mm，壁厚2.5mm的20号钢管作为直推拉手柄（滚花工艺处理），其长度为100mm。

四、结构钢架设计

结构钢架主要作用分为两部分，首先，其下部与剪叉杆的支座固定并为上滑轮提供可以滑动的空间；其次，其上部作为直线导轨的底座，为导轨提供稳定性。为减轻设备重量，按照直线导轨的宽度来设计结构钢架，根据矩形钢管标准(GB/T3094-2000)，选用2根截面边长为20mm，壁厚为1mm，700mm长的Q235A型方管。结构钢架作以下焊接处理：

（1）为便于和直线型导轨配合，在钢管上方焊有长700mm，宽60mm，厚5mm的矩形钢板。

（2）钢管上方焊有一截面尺寸为60mm×200mm的5mm厚的矩形钢板。

图3 钢管受力弯矩图

图4 结构钢架

（3）由于变频器的深度为460mm，下支承结构的宽度为400mm，为保证将变频器移出、放在装置上时不发生偏心，上述矩形钢板的边缘与钢管的边缘距离为30mm。

（4）为保证两根上支承钢管可以共同竖直向上运动，在两根上支承钢管的内侧焊有边长20mm，壁厚1mm，长度400mm的正方形截面钢管，此两根钢管的外侧面分别距700mm长的钢管的两个端面280mm。结构钢架如图4所示。

五、剪叉杆设计

剪叉杆的数量较多，是升降系统的主要结构件。内侧剪叉杆是由前后剪叉杆和横轴焊接成的U形框架，外侧剪叉杆是由前后剪叉杆和地轴焊接成的U型框架，剪叉杆的长度根据最大起升高度要求确定，采用矩形截面的钢管，截面大小根据受力分析确定。同层内、外剪叉杆在中心转动联接成剪叉，异层两端分别铰接；两侧剪叉杆的上、下端分别与上支承结构和下支承结构成转动和滑动联接。液压缸的耳环与地轴成转动联接，液压柱塞的耳环与横轴也成转动联接。上支承结构上方与直线导轨连接，滑块与工作平台固定连接。

（一）剪叉杆长度确定

剪叉杆的长度与起升高度有关，起升高度越高，剪叉杆的长度越长。当工作平台达到最大高度时，则每根剪叉杆的两端轴孔距离：

图5 剪叉杆1受力分析图及等效图

图6 剪叉杆1受力弯矩图

图7 剪叉杆外形图

式中，h为起升总高度，711mm；β为剪叉杆与水平面的最大夹角，60。为留出连接轴的安装空间，取剪叉杆的总长l＝500mm。

（二）剪叉杆强度校核

经分析，当α＝30时，剪叉杆1受力最大，受力分析及等效图如图5所示。

根据以上条件画弯矩图，如图6所示。

变频器、滑动机构和承重钢结构的重量总和：

液压缸推力P与W的关系值公式为：

对D点做力矩分析：

A、B、C、D点所受合力分别为：

其中l为剪叉杆两端轴孔距离，420mm；α为剪叉杆与水平面夹角，30 ；θ为液压柱塞与水平面夹角，45 ；a为剪叉杆上横轴孔距最近端轴孔的距离，125mm。

由弯矩图可知，杆1的最大弯矩在C点。经计算当α＝30时，Rc有最大值，即拥有最大弯矩：

此时也拥有最大的轴向力，CD段受到的轴向压力为：

剪叉杆均选用矩形截面钢管，根据矩形钢管标准（GB/T3094-2000），选择边长为40mm×20mm，壁厚为3mm的Q235A型矩形截面钢管。剪叉杆的横截面积：

剪叉杆的抗弯截面系数：

其中b2为剪叉杆所用钢管截面的短边长度20mm，h2为剪叉杆所用钢管截面长边长度40mm，s2为剪叉杆所用钢管壁厚3mm。则该状态下的工作应力公式为：

图8 运动分析图

其值为146.17MPa，小于Q235A型钢的许用应力。故截面为40mm×20mm，壁厚为3mm的矩形截面钢管满足强度要求。因此剪叉杆选用8根Q235A型，截面边长为40mm×20mm，壁厚为3mm的矩形截面钢管，每根剪叉杆两端轴孔距离为420mm，剪叉杆的总长度为500mm。其外形如图7所示。

整体稳定性分析

为保证工作稳定性，防止侧翻和颠覆，此专用工具配有两根钢管，最大伸出长度为450mm。工作时将其插入下支承结构的400mm长的钢管中，与工作平台平行伸入装有变频器的箱柜中，使其顶在箱柜内的一表面上，以使重心始终落在支承范围内，防止装置发生倾覆。装置升到最高位置时，剪叉杆所受轴向载荷最大，计算表明，该值小于临界值。所以，工作时的整机稳定性能满足设计要求。

动力系统选择

为使工作平台实现上升、下降运动，并考虑变频器箱柜前的操作环境，选用体积小、惯性小、重量轻的液压传动系统作为此装置的动力系统。液压传动系统操纵控制简便，容易实现过载保护，并且元件表面自行润滑、磨损小、具有较长的使用寿命。

本设计的液压传动系统主要由液压缸和液压泵组成。液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。其结构简单、工作可靠，实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力与活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸主要由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。

图8为工作台在最低处和最高处时的升降机构示意图。AC、AC'为剪叉杆2的两个状态；CD、C'D'为剪叉杆1的两个状态；圆C与CD、圆C'与C'D'的交点为剪叉杆1上的横轴孔的位置；AB为液压缸的起始状态，AB'为液压缸的伸长状态，则液压缸的行程为AB'－AB＝90mm。

结论

本文设计了一种风力发电机组机舱内变频器的更换专用工具，体积重量适用于风力发电机组机舱中的狭小空间，且结构简单、运行平稳、性能完善。在风电机组变频器维护时采用此装置可实现单人操作，节约人力物力，减少维护时间，极大提高工作效率，因而有广阔的应用前景及较好的经济效益。

*国家自然科学基金：风力机风轮结构振动及稳定性的概率分析方法研究（51675179）

［作者单位：丛智慧：大唐（赤峰）新能源有限公司；安利强，王鹏：华北电力大学机械工程系］