3MW风机海上整体安装缓冲装置性能模拟测试研究

马振江，姚耀淙，丁捍东，叶路明

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032；3.中交第三航务工程局有限公司宁波分公司，浙江 宁波 315200）

0 引言

受海况的影响，在海上安装重达460 t的风机，其难度远远超过陆上的风机安装。风机海上整体安装必须解决在风浪条件下，因起重船吊运风机造成风机底部法兰与风机基础承台连接法兰对接时周期性的碰撞而导致风机损坏的技术问题。

在海上风机整体安装时，需满足机舱处的冲击加速度不大于0.3g的要求[1]，为此提出风机的柔性安装方案，拟借助特定的缓冲装置来解决风机的软着陆问题。之前已完成了缓冲装置的设计，并进行了单个缓冲装置的室内测试实验，各项技术指标均达到预期的设计要求。但多个缓冲装置能否协同工作，以满足海上风机整体安装的特殊要求，尚不得而知，需通过进一步试验验证，为恶劣海况条件下安装各类风机提供科学依据。

1 缓冲装置的设计

缓冲器设计采用气囊复位、锥形棒节流式的缓冲器[2]。

1）节流方式：通过柱塞和节流棒之间具有规律的间隙，构成节流环。当高速物体冲击到缓冲器时，在节流环与蓄能器的作用下，吸收冲击能量，从而实现减速，达到缓冲的目的。

2）复位方式：在缓冲过程中，缸体和柱塞内的部分液体将流入蓄能器，从而在蓄能器气囊内形成较高的气体压力。当载荷撤离后，柱塞将在蓄能器内的高压气体和自重的推动下复位。缓冲器结构形式及工作原理如图1所示。

2 缓冲装置性能模拟试验

2.1 试验方案制定

风机整体柔性安装系统包括上部吊架系统、下部就位系统、平衡梁三大部分。由起重船的2个钩头通过平衡梁与上部吊架系统将风机整体吊起，移至承台处的下部就位系统上方，缓慢放下，对中就位。

本模拟试验中需要测试的主要参数有：风机安装时缓冲器冲击加速度、风机向下位移以及缓冲器油缸活塞的位移等[4]。

为模拟海上实际安装工况，需要确定风机的质量，根据实际情况，风机自身重为460 t，风机整体安装辅助设备上部吊架系统重110 t，平衡梁重80 t，故风机整体安装总质量为650 t。另需要确定模拟试验撞击速度，根据东海风机安装现场海况及起重船性能，结合我局前期《东海风电场3 MW风力发电机海上安装驳船运动测试》报告，风机整体安装过程中海况为：风力小于6级，波周期5 s，起重船船体最大起伏±750mm，起重船吊钩下放最大速度为50 mm/s，经计算，吊钩相对于下部就位系统最大速度约为0.6～0.8m/s。

为在模拟试验过程中获得与风机相同质量及海上撞击速度的效果，需解决如何产生如此大的动能及各类技术问题。

考虑到风机整体安装过程中决定碰撞力大小的关键因素是碰撞时的动能，模拟试验时，降低碰撞物体的质量，提高碰撞时的速度，保证碰撞时的动能与风机整体安装过程中碰撞动能的大小相同。在上部吊架系统加工成型的基础上，决定采用安装有8个缓冲器的海上风机整体安装上部吊具系统（总重110 t）进行模拟缓冲装置性能试验。根据动能原理，模拟设备冲击动能应与风机整体安装时产生的实际动能相等。

式中：m1为风机整体重，650 t；v1为风机整体安装最大撞击速度，取为0.7m/s；m2为上部吊架系统重，110 t；v2为上部吊架系统所需的最大冲击速度。

按上式计算得模拟试验上部吊架系统的撞击速度应为v2=1.70m/s。

然而，要使110 t重的设备达到如此快的速度，最合理的方式就是采用自由落体的形式，按照模拟试验上部吊架系统自由落体，若撞击时速度为v2=1.70m/s，则要求上部吊架系统自由落体初始位置高度为：

根据上述高度计算结果，决定进行3次模拟试验，第一、二次模拟试验的自由落体高度与计算值相近，由于设计缓冲器有一定的安全系数，故第三次模拟试验的自由落体高度远大于计算值，3次模拟试验上部吊架自由落体初始高度取为：115 mm、166 mm和260 mm。即模拟风机整体吊装时与承台连接塔筒上法兰表面碰撞的相对速度为 0.62m/s、0.74m/s、0.93m/s。

2.2 自脱钩分离设备及现场装置工艺设计

模拟试验首先需将110 t重的上部吊架系统起吊到设定高度，然后突然释放，自由下落撞击地面。为实现上述过程，需解决如下问题：

1）撞击场地需具有一定的刚性，故需铺设钢板，同时配备吊机将上部吊架系统起吊至设定高度。

2） 设计自动脱钩装置，由于要将110 t重的系统突然释放，其固定设备会产生极大的反作用力，对起吊设备造成损坏，而且一般的脱钩装置及设备均难于实现如此大力的突然释放。参考导弹发射分离机构设计及运载火箭助推器分离机构设计[3]，采用3套钢丝滑轮组承受110 t载荷，再用3组3CC0-200剪切式爆炸螺栓（表1）在50 ms内同时爆炸剪断螺栓，实现即时分断的要求。

表1 剪切式爆炸螺栓性能参数Table1 Performance parameter of shear type exp losive bolt

自脱钩分离设备以及现场工艺布置实现方法如下：

①试验场地埋设3根φ1 200 mm的钢桩，3根钢桩内部设相互隔离的自脱钩装置（保证自脱钩后钢丝绳不相互缠绕，以达到自由落体的目标），3根钢桩下部均开人孔，用于安装自脱钩设备及固定钢丝绳。

②每根钢桩顶部固定一个定滑轮，内部设定位置焊接分离机构1，同时设计分离机构2，分离机构1、2用以连接爆炸螺栓，平时由工艺螺栓连接，在上部吊架吊至设定高度后，安装爆炸螺栓。

③在上部吊架均布固定3组动滑轮及吊耳。

④分离设备2吊耳通过钢丝绳张拉器连接至钢丝绳，并通过滑轮组将钢丝绳的另一端连接至上部吊架系统，共使用3组钢丝绳，则分离机构1连接的钢丝绳拉力为110 t/（3×3）=12.2 t。考虑1.5的安全系数，故选择爆炸螺栓单个受力为20 t。具体布置见图2。

图2 自脱钩分离系统（单位：mm）Fig.2 Self-breakaway separation system(mm)

2.3 传感器选型、测点布置及测试仪器

本次缓冲装置性能模拟测试中，主要测试参数为加速度和位移。

根据风机上部吊架系统底座结构型式特点，共布置4个加速度测点，采用加速度传感器，测点布置在吊架系统下环梁；布置4个缓冲器油缸测点，采用拉线式长度传感器，测点布置在4个缓冲器油缸附近。传感器测点布置见图2。

本次测试采用CRAS振动及动态信号采集分析系统和INV组合式抗混滤波放大器。

采用压电式加速度传感器，通过CRAS振动及动态信号采集分析系统可以直接测出碰撞过程各测点的加速度，使用磁性底座固定在测点处。用拉线式位移传感器测试缓冲器活塞位移，位移传感器通过螺栓固定在加工配件上。

3 现场测试过程

2009年2月11日在宁波市北仑区白峰满洋船厂进行了东海风电安装工程缓冲装置性能模拟试验。现场测试工艺流程如下：

1）完成整个测试设备的安装与布线。

2）吊机将上部吊架系统起吊至设定高度，将钢丝绳张紧，之后将分离机构2与分离机构1通过2个工艺螺栓连接，固定整个上部吊架，将吊机与上部吊架系统脱离，上部吊架在自重作用下使钢丝绳张紧。

3） 通过钢丝绳张拉器微调3组滑轮组钢丝绳，调整上部吊架自由落体初始高度至设定位置，安装3组爆炸螺栓固定分离机构2与分离机构1，最后拆除3组工艺螺栓。

4） 同时起爆3枚爆炸螺栓（之间误差不大于5ms），上部吊架系统自由下落，完成整个撞击模拟试验，测得相关数据。

4 测试数据的初步分析

本次模拟试验共进行了3种工况的试验，表2列出了实测4个测点在各工况的下落高度。

表2 各工况下落高度值Table2 Falling heightvalue in differentoperating conditions mm

表3列出了4个测点在各工况下的位移和加速度的实测值。由于压电式传感器的频响范围在1～5 000 Hz，而系统自由落体过程的频率为0 Hz，因此在自由落体过程的加速度测量结果存在一定的误差。

表3 位移、速度、加速度检测结果汇总表Table 3 Test resultsof displacement,velocity and acceleration

4.1 加速度分析

从表3可以看出，各工况下每个测点实测加速度值都比较大，最大达到了7.1g，看似远远超过0.3g的风机安装要求，但超过0.3g的时间在150ms内，据有关专家分析，实际的风机安装过程中，因风机机仓距撞击底部约80m，冲击加速度不会大于0.3g。

取爆炸螺栓引爆后上部吊架系统底座开始下落后800 ms的一段时间为研究对象（800 ms以后每个测点加速度基本都归于0），这段时间包括系统的自由落体过程以及碰撞-缓冲过程。典型的测点3在各工况下的加速度曲线如图3所示。表4列出了每个测点的自由落体过程以及碰撞加速度超过0.3g的时间。

图3 实测加速度曲线Fig.3 Themeasured acceleration curve

表4 实测加速度信号分析Table 4 Signalanalysisof themeasured acceleration ms

工况二和工况三因每个测点距地面实际高度存在一定差异，造成每个测点碰撞时刻不一致，每个测点自由落体过程总时间也不一致（表4），因每个测点碰撞时刻不一样，会相互影响，加速度变化比较复杂，但各个缓冲器的协调工作性能良好。

4.2 位移分析

缓冲器活塞的最终位移随着上部吊架系统下落高度的增大而增大，试验过程中相同工况每个测点的位移变化比较接近。从典型的工况二测点4位移曲线（图4）可看出，上部吊架系统在缓冲器位移到达一定的临界数值后处于停顿状态，停顿时间约为6 s，工况三出现了同样的情况，停顿时间也约为6 s。工况一由于活塞最终位移小于临界位移，并没有出现上述的停顿过程。这种情况的出现符合缓冲器的设计要求，缓冲器的能量吸收能力良好。

图4 工况二测点4位移曲线Fig.4 Disp lacement curve ofmeasure point4 in condition 2

5 结语

1）3次缓冲装置性能模拟测试，在冲击远大于风机实际安装冲击性能的工况三情况下（自由落体高度为260mm），底座测点最大加速度为7.1g；在稍大于风机实际安装冲击性能的工况二情况下（自由落体高度为166mm），底座测点最大加速度为6.0g，经分析，风机整体安装过程中冲击加速度不会大于此，且加速度超过0.3g的时间小于100 ms，如上的瞬时冲击可以忽略不计，故测试结果满足设计要求。在实际的风机安装过程中，由于加速度从风机底部传到顶部有个衰减过程，目前较难在理论上建立这种衰减关系，建议风机实际安装过程中，直接在顶部机舱附近安装加速度传感器，以测试机舱的实际加速度值。

2）上部吊架系统在缓冲器活塞位移到达一定的临界数值后会处于停顿状态，停顿时间与冲击能量的大小有关，符合缓冲器的设计初衷；试验证明8组缓冲器协调工作性能良好。缓冲装置试验结果为海上风机整体安装打下了良好的基础。

[1]中交第三航务工程局有限公司.东海3MW风机海上安装规程[R].2009.CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Installation specification forDonghai3MW offshoreunitedwind turbine[R].2009.

[2] 周琼，詹永麒，朱昌明.活塞式蓄能器在电梯用液压缓冲器中的应用[J].流体传动与控制，2006（3）：25-28.ZHOU Qiong,ZHAN Yong-qi,ZHU Chang-ming.Application of piston accumulator in oil buffer used in elevator[J].Fluid Power Transmission and Control,2006(3):25-28.

[3]谷良贤.导弹总体结构设计[M].西安：西北工业大学出版社，2004.GU Liang-xian.Generalstructure design of guidedmissile[M].Xi′an:Northwestern PolytechnicalUniversity Press,2004.

[4]中交上海三航科学研究院有限公司，上海港湾工程质量检测有限公司.上海东海风电安装工程软着陆系统模拟试验测试报告[R].2009.Shanghai Third Harbour Engineering Science&Technology Research Institute Co.,Ltd.,ShanghaiHarbor Quality Control&Testing Co.,Ltd.Test report on soft landing system simulation experiment of ShanghaiDonghaiwind power installation engineering[R].2009.