自制多功能焊接机架在风力发电机组塔架焊接中的应用

朱锴年

（中国水电四局（酒泉）新能源装备有限公司，甘肃酒泉735000）

自制多功能焊接机架在风力发电机组塔架焊接中的应用

朱锴年

（中国水电四局（酒泉）新能源装备有限公司，甘肃酒泉735000）

通过对传统风电机组塔架焊接生产线不足的分析，介绍了两种用于风力发电塔架外侧焊缝焊接的焊接辅助设备，一种是利用车间厂房立柱用于风电塔架外侧焊缝焊接的多功能焊接机架，另外一种是龙门式风电塔架焊接支架。该套辅助设备具有结构简单，操作方便，场地占用极少，使风电塔架焊接作业生产效率更高、生产成本更低、高空作业安全风险降低等优点，对风电塔架生产具有很积极促进的作用。

风力发电；机组塔架；辅助设备；焊接；研制；应用

风能是一种干净的可再生能源，在我国分布十分丰富。风力发电具有不需要燃料、不占耕地、没有污染和运行成本低的显著优势，近年来风力发电产业发展迅速，前景非常广阔。风电机组塔架是支撑发电机组的关键设备，主要起支撑并吸收机组振动的作用。在风力发电塔架的制造中，焊接是最重要的工序之一，目前均采用埋弧自动焊焊接。埋弧自动焊焊接应用范围广、作业面积大、工作量大、技术要求高，是产品质量控制的重中之重，也是企业成本和进度控制的重点，同时由于风电塔架外形巨大，外缝焊接时存在高空作业，所以也是安全管理中不容忽视的一项工作。

风电塔架筒体的纵、环缝采用埋弧自动焊焊接［1］，对焊接环境的要求较高，在车间厂房内施焊是风电塔架制造的必然要求。风电塔架形体尺寸大，通常，纵、环缝外侧和外侧焊缝的焊接要在水平位置施焊就必须依赖特殊的专用工位、工装和设备来完成。本文对传统风电机组塔架焊接生产线不足分析，研制了两种用于风力发电塔架外侧焊缝焊接的焊接辅助设备，克服了传统风电塔架生产线不足，并提高了生产效率，降低了生产成本。

1　传统风电机组塔架焊接生产线分析

1.1利用十字臂式焊接操作机焊接

风电机组塔架焊接生产线一般制造厂家大多采用十字臂式埋弧焊接［2］（（见图1），由悬臂式埋弧操作机和在地面上固定的行走轨道组成。但当多个作业面同时生产（见图2），地面需安装布置多台悬臂式埋弧操作机的轨道，纵焊、环焊的工件全部都堆叠存放在一起时，现有的悬臂式焊接支架便出现了一些问题。

图1　十字臂式焊接操作机

图2　十字臂式焊接操作机施焊原理

（1）需要在塔架侧面平行布置轨道并留足操作机的旋转空间，场地占用较大；

（2）需要操作人员站在架体顶部操作，移动不灵活、作业人员高空作业、回转余地小，存在高空作业安全隐患；

（3）没有足够放置焊剂回收机的平台，焊剂无法及时回收，浪费严重；

（4）设备自身造价昂贵，成本投入较高。

（5）在规模化生产中会极大地制约了生产进度和安全生产。

1.2直接将小车放置在筒体顶部焊接

在实际风电塔架生产中，还有利用滚轮架将筒体纵缝旋转到顶部之后，操作人员直接在筒体顶部铺设埋弧焊小车轨道后施焊。存在以下不足：

（1）人、机均处在高空危险环境下，无安全防护措施，存在高空跌落的安全隐患；

（2）受作业条件影响，操作困难，效率低下；（3）焊剂无法及时回收，浪费严重。

2　风电机组塔架焊接辅助机架设计

我公司充分借鉴国内外同类机型制造技术，结合公司技术装备，研制开发结构合理、适应性强、具有较佳性价比的风电塔架焊接辅助设备。

2.1用于风力发电塔架外侧焊缝焊接的多功能焊接机架

为解决传统焊接设施存在的问题，提高工作效率，增强安全性能，合理利用资源，结合生产车间的结构形式，依托厂房的钢结构立柱，设计制造了用于风力发电塔架外侧焊缝焊接的多功能焊接机架，机架的工作原理示意图如图3所示。

图3　用于风力发电塔架架体外侧焊缝焊接的多功能焊接机架结构示意图（立面图）

该机架包括固定在车间厂房立柱上的顶部轨道、机身、平台升降系统、升降平台、埋弧焊机和放有风电塔架的焊接滚轮架；机身顶部滚轮以布置在厂房立柱上的H型钢为行走轨道，地面上铺设了底部行走轨道，机身下部设有行走电机，可带动机架在轨道上水平移动，机身上设有与可升降平台相连接的平台升降系统，埋弧焊小车放置在可升降平台上，焊接滚轮架设在升降平台的下方。

顶部轨道通过与其适配的顶部滚轮与机身相接，底部轨道通过与其适配的底部行走轮与机身的底部相接，通过行走电机的带动，机架可沿轨道水平行走。

平台升降系统包括柔性钢索、定滑轮和电动葫芦。电动葫芦、定滑轮分别设在所述机身的上部，平台、平台配重通过柔性钢索缠绕在升降系统的滑轮上，电动葫芦沿垂直方向通过锁链与平台相连接，升降平台通过两侧的导向轮与机身相连，当操作人员按下电动葫芦的升降按钮时，平台可在垂直方向上自由升降来调节工作高度。

升降平台导向轮与机身之间设有安全锁紧装置，当电动葫芦失灵时，锁紧装置会自动启动阻止平台在垂直方向上的运动，有效保护人机安全。

升降平台（如图4所示）包括平台支撑、平台护栏和花纹面板，平台支撑采用槽钢和角钢的框架结构，在框架结构上覆盖花纹钢板，花纹钢板四周设有平台护栏，并在花纹钢板上预留有交叉设置的纵向和横向的长方形焊接口，焊接口上对应设有纵缝焊接小车轨道、环缝焊接小车轨道，既可以用于单节架体的外纵缝焊接，又可以用于整段塔架的外环缝焊接，平台空间大，可放置弧焊小车、焊剂回收机等其他设备，并可容纳两名以上操作人员，周边护栏可为操作人员提供可靠的安全防护。

图4　机架升降平台结构示意图（俯视图）

在机身底部设有电动行走系统，可以使焊接机架沿轨道水平移动，将焊接机架移动至风电塔架待焊接外壁焊缝部位，焊接装置行走锁定，焊接滚轮架带动塔架以一定方向和速度转动，焊接机架就可以完成外壁环缝焊接，焊后沿架体的轴线移动下一处环缝焊接，这样可以完成塔架所有焊缝的焊接。

将待焊单节架体的纵缝调整至水平状态，焊接机架移动至单节待焊架体处，升降平台长方形焊接口能够覆盖单节架体的纵缝，焊接小车从一端沿轨道移动速度移动，根据工艺重复以上操作，便可完成外纵缝焊接。

2.2龙门式风力发电塔架焊接支架

针对没有厂房车间立柱工位的焊接，设计架设了多功能外缝焊接机架，利用自制的龙门式风力发电塔架焊接支架［3］，人员和焊接设备在龙门架顶部平台上进行操作施焊，机架的工作原理示意图如图5所示。

图5　龙门式风力发电塔架焊接支架结构示意图

龙门式风力发电塔架焊接支架，包括设有行走轮的支架、升降平台、焊渣回收箱和滚轮架。使用时，将需要焊接的风力发电机组塔架置于两根相互平行的行走轮支撑梁7之间的滚轮架，启动锥齿轮减速机驱动行走轮将龙门式风力发电塔架环缝焊接支架移动到塔架焊接部位，启动环链及电动葫芦11中的电动葫芦，然后驱动环链调整升降平台5至合适的焊接高度，在焊接滚轮架做塔架旋转运动的配合下，即可以开始焊接，焊接完毕后龙门式风力发电塔架环缝焊接支架可以方便地移动到下一个焊缝或者不妨碍塔架吊装的位置，这时如果需要对已焊完的焊缝需要处理打磨，可以在伸缩平台6上进行。

支架内设有升降平台，该升降平台上设有伸缩平台；支架的下部设有回收箱；升降平台的四个角部与所述支架顶部之间均设有与所述支架相连的导轨，该导轨上均设有滑套；相邻两个滑套之间设有锁紧机构；支架与所述升降平台之间设有爬梯，且该升降平台上设有防护栏。

龙门式风力发电塔架焊接支架由四个立柱、两根相互平行的行走轮支撑梁、横梁、横杆及斜支撑构成。两根行走轮支撑梁的底部两端均分别设有行走轮，其上部两端均分别设有四个支撑杆，该四个支撑杆的顶部设有横梁，四个支撑杆的上部通过斜支撑与所述横梁相连，之间设有斜支撑，四个支撑杆与锁紧机构相连；行走轮支撑梁上同侧的支撑杆之间设有回收箱，行走轮支撑梁与升降平台之间设有爬梯，升降平台通过环链及电动葫芦与支架顶部相连；行走轮上设有环形凹槽，该环形凹槽的宽度与轨道的轨面相适配；导轨通过导轨固定件与支架相连，四个支撑杆的顶部通过支撑板与横梁相连。

2.3电气控制

电气方面的设计主要是针对以上两种焊接装置提高平台水平方向，垂直方向和旋转功能上来控制。考虑到现场操作使用环境、操作工的安全性和操作的便捷性，平台采用遥控的控制方式，并且通过遥控器启动功能控制该设备的控制总电源开启来增加电器操作安全性。水平方向和垂直方向上利用四个限位接近开关，来限制前进后退和上下的位置，以保证操作和设备的安全。

3　应用效果分析

研发的风力发电塔架架体外侧焊缝焊接的多功能焊接机架和龙门式风力发电塔架环缝焊接支架已大量投入使用。

3.1用于风力发电塔架外侧焊缝焊接的多功能焊接机架

公司研制的用于风力发电塔架外侧焊缝焊接的多功能焊接机架，制造调试后，基本性能参数如表1所示，在生产得到广泛应用，如图6所示。

表1　用于风力发电塔架外侧焊缝焊接的多功能焊接机架性能参数表

图6　用于风力发电塔架架体外侧焊缝焊接的多功能焊接机架应用图

我公司在酒泉千万千瓦级风电基地一期工程和新疆哈密风电场建设中的风电塔架设备制造中都应用了风电机组塔架制造辅助成套设备，在制造过程中实现了风电塔架制造的机械生产流程控制，提高了风电塔架制造的质量保证能力，提高了生产效率使工人劳动强度降低，场地使用效率提高，提高了产能。该设备与传统焊接设备［4］技术相比具有以下显著优点：

（1）由机架利用生产车间厂房立柱布置，因此，不但提高了稳定性，而且也减小因机架本体颤动对焊接的不利影响，保证了焊缝质量。

（2）本机架架设在厂房立柱之上，不需占用专用场地，大大节省了生产场地。

（3）由于本机架设有垂直升降系统，可通过垂直升降调节方便的工作高度，通用性强。因此，可以满足生产不同规格的风电塔架外壁焊缝焊接，即大小直径的塔架都可以在一个机架上进行施焊，从而大大提高了工作效率，相比较其他支架工作效率能提高40%左右。

（4）由于本机架在升降平台焊接设备待焊部位预留有纵横交叉的长方形焊接口，且焊接口上分别设有纵缝焊接小车轨道、环缝焊接小车轨道，因此，可以同时满足风电塔架外环缝和外纵缝焊接，提高了使用效率。

（5）由于机架升降平台空间大，因此，可以满足放置焊剂回收机等焊接辅助装置，可及时回收焊剂，避免了因回收不及时造成的浪费，仅仅在这一项上每年就可为公司节约1%的生产成本，降低了成本，真正做到了节能增效。

3.2龙门式风力发电塔架焊接支架

龙门式风力发电塔架焊接支架在860余台风电塔架设备制造中，提高了生产安全保证能力，降低了安全风险，该设备与传统焊接设备技术相比具有以下显著特点：

（1）由于焊接支架由四个立柱、两根相互平行的行走轮支撑梁、横梁及斜支撑构成，形成龙门式立柱布置，因此，不但提高了稳定性，而且也减小因支架本体颤动对焊接的不利影响，保证了焊缝的成形质量。

（2）由于升降平台通过环链及电动葫芦与支架顶部相连，因此，使用方便快捷，可根据焊接件高度自由调整，满足生产不同规格的风电塔架外壁环缝焊接，即大小直径的塔架都可以在一个支架上进行施焊，从而大大提高了工作效率。

（3）由于升降平台上设有防护栏，且设有锁紧机构，因此，可以有效地保护人机安全，预防安全事故的发生。

（4）由于设有伸缩平台，因此，当一条环缝焊接完成后焊接下一条时，利用伸缩平台进行前面焊缝的处理工作，在此平台上完成多道工序的工作，从而大大缩短了工作时间，降低了成本。

（5）由于行走轮上设有环形凹槽，该环形凹槽的宽度与轨道的轨面相适配，因此，可以防止脱离轨道或者跳出轨道。

4　结束语

用于风力发电塔架外侧焊缝焊接的多功能焊接机架和龙门式风力发电塔架环缝焊接支架结构简单，方便实用，既能焊接架体的环缝，又能焊接纵缝焊缝。该辅助设备造价低廉，操作方便，使用更可靠、生产效率更高、生产成本更低、高空作业安全风险降低。自公司2009年建厂初期设计制造使用，累计焊接塔架设备1500余台，制造的质量、进度、安全及成本控制方面优势明显，使用效果良好，为公司创造了良好的经济效益，并获得国家专利。

［1］梁建明，马晓欣，刘丽娟，等.风力发电机组塔筒焊接制作工艺［J］.焊接技术，2010，39（12）：68-69.

［2］石南辉，吴犇，郝亮.厚壁大直径风塔的焊接［J］.电焊机，2012，42（8）：17-19.

［3］朱锴年，张阳勇，董贵林，等.龙门式风力发电塔筒环缝焊接工装［P］.中国：201420563709.8，2014-9-28.

［4］中国机械工程学会焊接学会．焊接手册［M］．北京：机械工业出版社，2001．

PracticalApplication of Homemade Multifunction Welding-Frame forManufacturing ofW ind Turbine Tower

ZHU Kai-nian
（Sinohydro Bureau4（JiuQuan）New Engergy Equipment Co.Ltd.，Jiuquan Gansu 735000，China）

Based on the defect analysis to welding production line ofwind turbine tower，we developed two kind of auxiliary welding-frames.One is external circular seam welding-frame which takes advantage of the plant pillar. Another is gantry type welding-frame.Structurally simple，easy operation，saving room，the new frames have increased the efficiency，reduced production cost，lowered risk of occupations at elevated heights，and which have greatly improved themanufacturing ofwind turbine tower.

wind power generation；turbine tower；auxiliary equipment；welding；develop；application

TG431

B

1672-545X（2016）05-0170-04

2016-02-10

朱锴年（1974-），男，甘肃张掖人，高级工程师，在读工程硕士，主要从事新能源装备和大型钢结构工程制造安装技术研究工作。