风电专用自爬式起重机总体方案

洪 郴 李鹏举 韩吉超 史海红 刘 彬

山东丰汇设备技术有限公司 济南 250102

1 风电机组吊装

风能是一种清洁能源，具有可再生、分布广、无污染等特点，且蕴藏量巨大，因而越来越受到世界各国的重视。由于风力发电既节能又环保，所以风电行业前景广阔。如图1所示，大型风电机组由塔筒、机舱、轮毂和叶片等组成，其自重大（机舱、轮毂等的自重在百吨以上），安装高度高（安装高度在百米以上），安装和后期检修维护的施工难度大。塔式起重机吊装。其中，流动式起重机吊装（如履带起重机、全路面起重机等）的缺点有：1）施工作业面大，需要较多辅助起重机，吊装难度大，安装成本高；2）吊装高度高，起重机自身抗风能力差，受天气影响大，吊装风险大；3）自重较大，自身运输难度大，对道路要求较高，特别是山地安装，需要改扩建道路。塔式起重机吊装的缺点有：1）吊装高度高，起重机自身抗风能力差，受天气影响大，吊装风险大；2）需要塔式起重机在独立工况下进行，对整机性能要求较高。塔式起重机的自身安拆和爬升周期较长，安装和周转效率低。本文针对以上吊装方法安装风险大、作业周期长的缺点提出了一种风电机组专用的自攀爬式起重机（以下简称起重机），并对其功能构造、结构特点进行分析和计算。

图1 风电机组构造示意

2 整机方案

风电机组的吊装方式基本分为流动式起重机吊装和

2.1 吊装布置

大型风电机组的主要吊装工况为简节吊装、机舱吊装、轮毂和叶片整体吊装，吊装布置如图2所示。

图2 大型风电机组各工况吊装示意

2.2 整机组成

该起重机自身依附于塔筒筒节，随着高度的增加沿塔筒筒节爬升，将整个大型风电机组各部件（塔筒、机舱、轮毂和叶片等）吊装就位，安装完成后，起重机自身沿塔筒筒节下降，完成一整套风电机组安装作业。

如图3所示，该起重机由塔身、爬升小车系统、承座、机台、起重臂等组成。塔身由塔身结构、支持臂、夹持臂、夹持座等组成，塔身结构是整个起重机的支承结构。支持臂用于连接夹持臂和夹持座，夹持臂在支持臂液压缸作用下沿塔身滑块伸缩动作。夹持臂用于固定夹持座和销轴，夹持座及销轴在夹持臂液压缸作用下沿夹持臂伸缩动作。小车系统由上小车、下小车和小车液压缸等组成，2组小车液压缸连接上小车，上小车与下小车通过小车连接杆连接，小车液压缸下端通过销轴固定在塔身上，缸体上端通过小车液压缸固定架固定在塔身上。小车依靠小车滑块沿塔身上下移动，小车销轴液压缸带动小车销轴伸缩，完成小车销轴的打开和闭合。

图3 自爬式起重机总体方案简图

2.3 功能原理

塔筒筒节为等高度结构，每节筒节有若干层等间距的轴孔，每层轴孔共有3个轴孔，其中2个轴孔同轴，轴心通过筒节中心，另一个轴孔中心与前2个轴孔中心垂直，并通过筒节中心，3个轴孔中心贯穿于筒节中心点，如图4所示。5点支承包括小车销轴e点（或f点）、夹持座销轴a点、b点、c点和d点，5点插入塔筒筒节轴孔为5点支承。6点支承包括双小车销轴2点支承和夹持座销轴4点支承。爬升工况为2点支承和5点支承，爬升作业过程中双小车2点支承、上小车5点支承和下小车5点支承交替进行，吊装工况为6点支承。

图4 起重机爬升原理示意

爬升作业流程：起重机的爬升、下降通过小车和塔 身之间的相对运动来实现。爬升前，起重机处于上小车6点支承状态，上小车销轴和4个夹持座销轴处于闭合状态，在支持臂液压缸的作用下，夹持座销轴插入塔筒轴孔，双小车销轴处于闭合状态（图中F1）。在小车销轴液压缸的作用下，下小车销轴收回并与塔筒轴孔脱离，下小车销轴的位置f1点变为f2点（图中F2），此时主要载荷由上小车承受。

在支持臂液压缸的作用下，4个夹持座销轴液压缸动作，使夹持座销轴由闭合状态进入打开状态，夹持座销轴脱离塔筒轴孔，此时起重机处于2点支承状态（图中F3），通过小车液压缸的顶升作用，塔身相对双小车向上运动。当4个夹持座到达上一层踏步时，夹持座销轴插入塔筒轴孔，完成抬升作业，一个踏步行程为h2（图中F4）。

上小车销轴由闭合状态变为打开状态，在小车液压缸的作用下向上移动，上小车销轴由e1点支承变为e2点支承（图中F5），此时主要载荷由下小车承受，至此完成一个上升工作循环。在整个爬升过程中起重机始终处于2点和5点支承状态，起重机的下降过程作业流程与爬升过程作业流程相反。

3 总体设计

3.1 整机参数

大型风电机组主要参数如表1所示，对应该机组的起重机主要参数如表2所示。

表1 大型风电机组主要参数（6MW）

表2 起重机主要参数

3.2 设计流程

总体方案设计流程为：功能构造→构件初选→质量初估→力学模型简化→内力求解→构件选择→模型细化→实体计算→校核确认→论证评审。

3.3 设计难点

1）双小车自身交替爬升方法 双小车的同步和防脱，快速有效转换。

2）全过程多点支承转换及承载分析 爬升和下降过程，起重机2/5/6点支承的交替转换，超静定6点附着的载荷分配。

3）板壳结构的局部稳定 塔身结构为板壳结构，且开孔较多，涉及圆壳薄板的局部稳定和补强问题。

4）双向大轴力和大行程液压缸 臂架变幅液压缸单缸轴压力约为300 t，小车液压缸单缸约为100 t，行程为10 m，涉及细长液压缸的整体稳定性。

5）超长构件的加工制造 塔身长度超过25 m，需要整体加工以保证结构精度。

6）液压穿轴轴孔同轴检测和调整 该起重机液压缸多，液压系统动作复杂，需要多缸同步动作，远程监控和操作控制。

3.4 受力分析

力学计算坐标定义如图5所示，起重机2/5/6点支承受力模型如图6所示。

图5 坐标定义

图6 受力模型

在2点支承时，上小车销轴受拉，承受轴向拉力；下小车销轴在下小车的水平力作用下顶紧塔筒，承受轴向压力，此时下小车销轴液压缸应能提供该轴向压力，通过构造特点、结构的变形量来控制和分配6点支承的载荷。

3.5 理论计算

理论计算采用解析计算与有限元计算结合，杆系结构计算与实体结构计算结合。解析计算宜参数化，修改参数即得结果，方便高效，有限元计算数据更精确、更接近实际。先采用杆系结构进行整体计算，再采用实体结构进行局部分析，如图7所示。

图7 力学模型简化

起重机6点超静定受力实际上是起重机自重工况和吊重工况（不及自重）载荷的叠加。塔身等主要部件的整体模型采用等效截面处理，保证轮廓尺寸、惯性矩相当，使变形与实际接近，保证部件质量相当，使应力与实际接近。

在2点爬升工况下，爬升小车销轴承受轴向力。由于结构刚性的原因，上小车受力大，下小车受力小。4点（a点、b点、c点、d点）受力较小，2点（e点、f点）受力较大。

4 部件设计

4.1 结构选型

起重机主要部件的构件类型如表3所示。

表3 起重机结构部件类型

4.2 塔身结构

塔身结构是整个起重机的支承结构，支持臂用于连接夹持臂和夹持座，夹持臂在支持臂液压缸的作用下沿塔身滑块伸缩动作。夹持臂用于固定夹持座和销轴，在夹持臂液压缸的作用下，夹持座及销轴沿夹持臂伸缩动作，如图8所示。

图8 塔身结构局部

4.3 爬升小车

爬升小车系统由于构造原因，如果是受拉液压缸，只能是上小车提供拉力；如果是受压液压缸，只能是下小车提供顶力。如图9所示，方案A（2缸方案）为双缸上拉；方案B（4缸方案）为双缸上拉双杠下顶。

图9 爬升小车可选方案

在方案A（2缸方案）中，2小车同步动作，吊装中需分离；在方案B（4缸方案）中，2小车单独动作。这2种方案行程相同，由于液压缸缸杆长细比的限制，50 t受拉缸和100 t受拉缸，缸杆的尺寸和质量差别不大，同时受压缸有失稳的问题，故方案B（4缸方案）比方案A（2缸方案）自重大得多。

该起重机采用双液压缸下拉方案，爬升小车方案如图10所示。小车系统由上小车、下小车和小车液压缸等组成，2组小车液压缸连接上小车，上小车与下小车通过小车连接杆连接，小车液压缸下端通过销轴固定在塔身上，缸体上端通过小车液压缸固定架固定在塔身上。小车依靠小车滑块沿塔身上下移动，小车销轴液压缸带动小车销轴伸缩，以完成小车销轴的打开和闭合。

图10 爬升小车方案确定

4.4 起重臂

起重臂采用液压缸变幅，带鹰嘴折臂结构属于压弯构件，其中受弯更明显。变幅液压缸的最小变幅力在最大倾覆力矩情况下，变幅力臂越大，变幅液压缸的轴压力越小。起重臂绕铰点O1（臂架与机台铰点）倾覆，变幅力臂为铰点O1至变幅液压缸轴线的垂直距离，该垂直距离的最大值为铰点O1和铰点O2（变幅液压缸与机台铰点）之间的距离O1O2。此时，变幅液压缸处于竖直状态，即变幅液压缸在最大倾覆力矩情况下应处于竖直状态，如图11所示。

图11 起重臂与变幅液压缸

4.5 液压缸

该起重机所需液压系统较复杂，由整机构造、整体结构计算可知各液压缸的轴力和行程，液压缸参数情况如表4所示。

表4 各液压缸参数

5 吊装和下降

吊装作业为6点支承，2小车共2点，上小车在e1点，下小车在f1点，即2点塔筒筒节轴孔。夹持座销轴a1点、b1点、c1点和d1点共4点，即4点塔筒筒节轴孔。

在吊装工况时，上小车和下小车间距为h1，h1为2倍的h2，即上小车在塔身上端，下小车在塔身下端。

上小车与小车液压缸连接，由小车液压缸驱动；下小车通过小车连接杆与上小车刚性连接，与上小车之间可拆卸；下小车又通过可调连接装置与塔身刚性连接，与塔身之间可拆卸。若上小车与下小车分离，小车连接杆与上小车连接，与下小车脱开。上小车通过小车液压缸作用顶升至塔身上端，下小车通过可调连接装置固定在塔身下端。吊装工况示意图如图12所示，起重机自身降落工况示意图如图13所示。

图12 各吊装工况

图13 起重机下降

6 塔筒校核

塔筒的设计和校核应满足GB 50135—2019 《高耸结构设计标准》的要求。塔筒的设计和校核主要有3部分：起重机吊装轮毂和叶片工况时塔筒的整体稳定性，塔筒长细比等满足规范要求；起重机附着处的筒节，2/5/6点支承下筒节的强度和局部稳定性；起重机附着筒节与下层筒节连接处的螺栓群和塔筒底层螺栓群的强度，各工况下每层筒节连接处所承受的载荷类型和大小不同，螺栓群受力也不相同。

7 结束语

针对大型风电机组提出了一种附着筒壁的自攀爬式起重机，相对于传统方案其优缺点有：

1）体积紧凑 部件尺寸小、数量少，结构紧凑，相对质量较轻。

2）运输方便 对风场道路要求低，容易运输和转场。

3）拆装便捷 安装和拆除占用场地小，主要部件之间通过销轴连接，安装、拆除便捷。

4）吊装安全 起重机有效附着于塔筒，受风载影响小，安全可靠。整机高度低，吊载下起重机顶部位移小，整机稳定性好，能有效控制吊物（或塔筒）与起重机本体之间的距离，安全性高。

5）经济性好 机组高度越高，相对成本越低。可用于后期风电机组的维修。

6）缺点 筒节开口圆柱板壳结构的局部强度和稳定问题，需要对塔筒筒节进行单独设计，筒节局部开孔加强和封堵等。