风机锥形塔筒重心计算及吊装受力分析

蒋忠平 周建皓

摘 要：通过对风力发电机组吊装作业时锥形塔筒的CAD建模计算及受力分析，实现对锥形塔筒吊装的提前策划及监督，保持塔筒吊装时的稳定性，减少安全事故，缩短工期，提高吊装效率。

关键词：风力发电机锥形塔筒;重心计算;受力分析

引言

公司风电项目大量开展，目前大部分吊装均采用传统试吊法，虽然施工熟练度和效率在提高，但后续提升空间小，安全風险高，急需进行技术革新。通过电脑CAD建模法代替传统方法确定塔筒中心再进行受力分析，实现对锥形塔筒吊装的提前策划及监督，保持塔筒吊装时的稳定性，减少安全事故，节约成本。

1  塔筒介绍

1.1  塔筒设备参数

本文采用迅风定远东部风电场项目2.3MW风力发电机组锥筒型塔筒为硏究对象;定远项目塔筒仅一种型号，共五段，总重302.1t，最重部件为底段塔筒，重量为79.8t;塔筒编号从下至上分别为第一段塔筒（上段塔筒）、第二段塔筒（中上段塔筒）、第三段塔筒（中段）、第四段塔筒（中下段塔筒）、第五段塔筒（底段塔筒）;

根据施工现场的场地条件及施工工期的要求，本项目选择风机设备的吊装机具为：一台徐工XGC650履带起重机作为主力吊车与一台80t履带吊（或100t汽车吊）作为辅吊合抬完成塔筒的吊装;其它的100t汽车吊、80t履带吊作为辅助吊车，配合设备卸货。项目采用1个工作面为主，进行流水作业以便提高安装效率，保障工期。

1.2  塔筒建模

风力发电机组塔筒除塔筒本身外，还有一些其他的附属设备，如平台、爬梯、门洞等。分析计算时，塔筒几何模型简化的原则是在保证计算精度的前提下，对一些与所研究塔筒强度、自振特性、稳定性没有重要作用或者承受载荷情况并不关键的部位作简化，这样既减轻了建模的工作量，又不会影响分析结果的精确性。建立模型时以2.3MW风力发电机组塔筒为例，作如下简化（简化后的结构如图1所示）。

2  传统试吊法

现场吊装专业施工队采用低位试吊方法：使用徐工XGC650履带起重机，在塔筒中心处起吊塔筒约100mm，当塔筒离开地面时倾斜了，说明吊钩和重心的连线没有在通过重心的垂线上，如果倾斜度大于5度，将塔筒放低并重新配置。通过多次试吊逐步找到塔筒的重心。

以塔筒中心为0刻度坐标，偏向法兰截面小的一端为正向。施工对每段塔筒试吊5次，试吊结果如表2所示。

3  CAD建模法

3.1 底段塔筒建模，通过CAD输入表1底段塔筒尺寸相关数据，可查询得到如下相关信息，见图2：重心离塔筒中心约-214mm。

3.2 中下段塔筒建模，通过CAD输入表1中下段塔筒尺寸相关数据，可查询得到如下相关信息，见图3：重心离塔筒中心约-7mm。

3.3 中段塔筒建模，通过CAD输入表1中段塔筒尺寸相关数据，可查询得到如下相关信息，见图4：重心离塔筒中心约-6.9mm。

3.4 中上段塔筒建模，通过CAD输入表1中上段塔筒尺寸相关数据，可查询得到如下相关信息，见图5：重心离塔筒中心约-390.4mm。

3.5 上段塔筒建模，通过CAD输入表1上段塔筒尺寸相关数据，可查询得到如下相关信息，见图6：重心离塔筒中心约8mm。

4  传统试吊法与CAD建模法比较

（1）重心偏差：2种方法的偏差极小，可认为CAD建模法在使用上无问题。

（2）时间上：5段塔筒试吊约8小时，建模法约半个小时，时间上节约了7.5个小时，提高了效率。

（3）安全上：传统试吊法需多次吊装，增加了风险，而新方法在计算机上计算得出，提高了安全性。

（4）成本上：节约了1个台班。

5  受力分析

吊装塔筒时，使用徐工100t汽车吊（辅吊）与徐工XGC650履带吊（主吊）抬吊立起塔筒组件。徐工XGC650履带吊抬吊塔筒上法兰，主臂长144米，副臂12米，工作半径20m时起重机的额定起重量P1为110t，徐工100t汽车吊抬吊塔筒下法兰，依据徐工100t汽车吊工况表：臂杆长度L=18m;工作半径R=5m;额定起重量P2=63t。

以底段塔筒为例，起吊时如图7所示，根据塔筒受力平衡以及力矩平衡可得到以下两个关系式：

F1+F2=G

F1*L1=F2*L2

F1：主吊承载力;F2：辅吊承载力;L1：主吊吊耳到重心的距离;L2：辅吊吊耳到重心的距离;G：塔筒重量。

通过计算，可得出F1为39.045吨，F2为40.755吨。

徐工100吨汽车吊装时的起吊重量为：

G辅=F2+G2+G3+G4+G5=40.755+0.7+1.5+0.4+0.6=43.955t

式中：F2为起吊塔筒时吊装重量40.755吨;G2为吊钩重量，徐工100t汽车吊吊钩重量根据说明书吊钩重量0.5t;G3为吊具重量，根据设备厂家提供的大部件及吊具信息，塔筒吊具重量为1.5t;G4为钢丝绳重量，考虑钢丝绳下降到最低时的重量（按主臂长度计算= 18m），徐工100t汽车吊，钢丝绳为Φ26mm，查询6*37*Φ26mm钢丝绳，2.83kg/m，钢丝绳采用6倍率，则钢丝绳重量约为0.4t;G5为底段塔筒连接螺母重量，M48-8.8螺母176颗，垫片352颗，重量约为600kg。

负荷率η辅=G辅/Q×100%=43.955/63×100%≈69.76%≤75%，符合吊装规范要求。

徐工XGC650履带吊装时的起吊重量为：

G主=F1+G2+G3+G4+G5=39.045+5.5+1.5+4.7+0.9=51.645t

式中：F1为起吊塔筒时吊装重量39.045t;G2为吊钩重量，徐工XGC650履带吊吊钩重量根据徐工XGC650履带吊说明书200t吊钩重量5.5t;G3为吊具重量，根据厂家提供的定远项目大部件及吊具信息，塔筒吊具重量為1.5t;G4为钢丝绳重量，考虑钢丝绳下降到最低时的重量，根据徐工XGC650履带吊说明书，钢丝绳为Φ28mm，根据吊车生产厂家提供资料Φ28mm钢丝绳，重量3.85kg/m，钢丝绳采用8倍率，计算钢丝绳下降至152m时，则钢丝绳重量为8×152×3.85=4682 kg，即为4.7t;G5为塔筒螺栓重量，M42-10.9螺栓176颗，螺母176颗，垫片352颗，重量为900kg。

负荷率η主=G/Q×100%=51.645/110×100%=46.95%≤75%，符合吊装规范要求。

双机抬吊时，设备从地面的水平位置逐渐到垂直受力位置，当塔筒扳起直立的时候辅吊所受的承载力接近于零，而主吊车所受的承载力达到最大。

徐工XGC650履带吊承受整个塔筒重量时，吊装时的起吊重量为：

G总=G+G2+G3+G4+G5=79.8+5.5+1.5+4.7+0.9=92.4t

式中：G为塔筒重量79.8t;G2为吊钩重量，徐工XGC650履带吊吊钩重量根据徐工XGC650履带吊说明书200t吊钩重量5.5t;G3为吊具重量，根据厂家提供的定远项目大部件及吊具信息，塔筒吊具重量为1.5t;G4为钢丝绳重量，考虑钢丝绳下降到最低时的重量，根据徐工XGC650履带吊说明书，钢丝绳为Φ28mm，根据吊车生产厂家提供资料Φ28mm钢丝绳，重量3.85kg/m，钢丝绳采用8倍率，则钢丝绳重量为8×152×3.85=4682 kg，即为4.7t;G5为塔筒螺栓重量，M42-10.9螺栓176颗，螺母176颗，垫片352颗，重量为900kg。

负荷率η=G/Q×100%=92.4/110×100%≈84%≤90%，符合吊装规范要求。

风机底段塔筒为五段塔筒中为最重的一段，因此只对底段塔筒进行校核吊车负荷率。第二至五段塔筒吊装计算步骤与底段塔筒计算步骤相同，就不再赘述。

6  结论

CAD建模法与传统试吊法相比不仅提高了效率及经济效益，同时避免传统试吊法的危险性，降低了施工难度，预防了安全事故。同时建模法施工简单，可以在所有塔类设备吊装中推广使用。

参考文献：

[1]李斌，姜福杰.风力发电机锥筒型塔架的模态分析[J].蒙古科技大大学学报，2009，028（004）：364-368.

[2]吕小光.风电场风机吊装施工技术的分析与探讨[J].科技创新导报，2017，14（33）：25.

[3]雷云波.风电场风机吊装施工技术的研究与探讨[J].中国新技术新产品，2015（01）：90.

[4]赵卫权.大型设备吊装几个关键点的受力分析[D].2004年全国工栏建设行业大型设备吊市场研讨暨技术交流会论文集，2004.

作者简介：

蒋忠平（1992—），男，湖南省衡南县，助理工程师，主要从事火电、风电工程施工工作。

周建皓（1989—），男，贵州省贵阳市，助理工程师，主要从事火电、风电工程经营工作。

（中国电建集团贵州工程有限公司，贵州 贵阳 550002）