桁架式起重机臂架悬空接臂方法的研究

2020-07-07田源

机械管理开发 2020年5期

田源

（太原重工股份有限公司，山西太原 030024）

引言

在我国，山地风能资源十分丰富，是建设风场的首选地区之一，也是风电吊装发展的重点市场[1]。市场上现有的履带式桁架臂起重机及全地面桁架式起重机，其接臂方式大多为桅杆或超起桅杆通过拉板形式在臂架底节处连接，其它臂节通过两台辅助吊共同抬吊逐一安装或整体安装其它臂节，这种安装方式组装效率低、拆装成本高、在山地风场使用有一定的局限性。

为了增强桁架臂起重机对山地风场的适应性，提高其市场竞争力，特针对大臂长桁架臂进行山地风电吊装适应型改进。在臂架拆装过程中增加悬空接臂功能，旨在解决在山地风场组装大臂长吊臂场地空间不足，场地土建施工成本高，拆装效率低等问题。

1 工况研究对象

此次悬空接臂研究工况为超起风电固臂工况，主臂为组合臂，其长度为114～147 m，包括主臂底节、加强节、标准节、轻型节，顶节、固臂连接头。风电固臂长度为12 m，超起长度为37.5 m，如图1所示，臂架工况表如表1所示。

图1 臂架组合示意图

表1 臂架工况表

2 悬空接臂总体思路

在主臂底节处设置自拆装连接板，将超起动滑轮处拉板连接在底节自拆装板上，将主臂底节拉至

水平位置，悬空安装到最大许可吊臂长度，在最大吊臂处下方支撑使臂架处于水平位置，将变幅拉板在底节处脱开，并将拉板连接至下一臂节自拆装节连接板处，超起变幅卷扬收绳，将臂架拉至水平位置，再次进行悬空接臂到最大许可长度，直至安装完成。悬空接臂自拆装臂节的设置数量及合理位置的确定、变幅拉板的受力、臂架受力等均通过Ansys建立悬空接臂的力学模型进行模拟以确定合理约束边界及加载方式。

3 基于Ansys的悬空接臂有限元计算

3.1 力学模型的建立及边界约束条件的施加

主臂为空间桁架结构，对于弦杆和腹杆采用梁单元构建模型，弦杆与腹杆位置以其轴线的位置来确定。加强部分由板结构组成，因此采用板单元构建模型，各板厚度方向的位置以板厚中分面位置来确定[2-3]，拉板单元类型为LINK180。主臂底节根铰点限制的自由度为UX、UY、UZ、MY、MZ（放开绕销轴旋转约束），超起动滑轮处拉板限制的自由度为UX、UY、UZ，重力加速度为9.8 m/s2。因Ansys中力学模型均为简化后的结构模型，但在实际中还有很多附件、滑轮、销轴等，因此模型重量与实际重量相比有较大出入，而悬空接臂的重力为主要受力，为跟实际情况吻合，通过为每节臂设置不同密度来模拟。

3.2 主要计算内容

悬空接臂主要计算为114～147 m的长度范围内，拉板在不同的自拆装位置时的最大接臂长度，其主要步骤为：拉板连接在主臂底节处时，计算一级最大接臂长度；拉板连接在一级计算最大接臂长度位置时，计算二级最大接臂长度；拉板连接在二级计算位置时，计算三级最大接臂长度；直至悬空接臂完成。

图2 拉板接至主臂底节时臂架位移（mm）云图

图3 拉板接至主臂底节时臂架应力（MPa）云图

3.3 悬空接臂有限元分析结果

1）拉板连接在主臂底节处时，计算一级最大接臂长度，其最终计算结果如图2、图3所示。经有限元计算，拉板连接在主臂底节时，最大接臂长度为62m。

2）拉板连接在62 m处时，计算二级最大接臂长度，其最终计算结果如图4、图5所示。经有限元计算，拉板连接在62 m处时，其二级最大接臂长度为134 m（不带臂头），或为120 m+12 m（带固定风电臂、撑杆及前后拉板），或为135 m（带固定连接头）。因篇幅有限，下图显示的是二级接臂长度为135 m（带固定连接头）。

图4 拉板连接至62 m处时臂架位移（mm）云图

图5 拉板连接至62 m处时臂架应力（MPa）云图

3）拉板连接至86 m处时，计算三级最大接臂长度，其最终计算结果如图6、图7所示。经有限元计算，拉板连接在86 m处时，其三级最大接臂长度为135 m（带固定连接头），或为135 m+12 m（带固定风电臂、撑杆及前后拉板）。因篇幅有限，图6、图7显示的是三级接臂长度为135 m+12 m。

图6 拉板连接至86 m处时臂架位移（mm）云图

4 不同臂长下超起风电固臂工况悬空接臂解决方案

根据有限元分析结果，对于114～120 m悬空接臂，需通过两次拉板变换位置，即底节与62 m处的3 m自拆装节，即可完成主臂+固臂的安装；对于123～135 m悬空接臂，需通过三次拉板变换位置，即底节、62 m处的3 m自拆装节、86 m处的12 m自拆装节，即可完成主臂+固臂的安装；对于123～135 m悬空接臂，需通过三次拉板变换位置，即底节、62 m处的3 m自拆装节、86 m处的12 m自拆装节，即可完成主臂的安装，固臂需要单独安装。