风电塔筒焊接工装平台倾斜改进试验*

2020-11-18张宏瑞于卫锋吕银娟

机械研究与应用 2020年5期

张宏瑞，于卫锋，吕银娟

(甘肃酒钢集团西部重工股份有限公司，甘肃嘉峪关 735100)

0 引言

风电塔筒就是风力发电的塔杆，在风力发电机组中主要起支撑作用，同时吸收机组震动。大多数塔筒为锥形变径形状，底端直径为3 500～4 100 mm左右，最上端直径为2 700～3 000 mm左右。兆瓦级塔筒高度在60～90 m之间，常见高度为65～80 m。

风电塔筒在生产工艺中内外环、纵焊缝的焊接风电塔筒质量及工作进度是整个风电塔筒质量和生产能力的关键地方，但在实际生产中，由于塔筒直径较大，且焊接工作中要不停的转换焊接位置，因此内外环焊缝的焊接需要大量的高技术操作人员，在转换焊接位置时需要大量的工作时间及工作场地，为了提高塔筒的生产能力，避免生产中出现的种种弊端。通过创新研究，研制了一种技术可靠、结构简单、加工制造成本经济的自动纵向焊缝焊接工装。该自动焊接工装可实现自动上下移动、适合不同直径塔筒环焊缝焊接，可以同时容纳两个操作人员，人员可以不用在转动的塔筒上作业，大大提提高了安全系数，改善了操作人员的劳动环境，纵焊缝、环焊缝均在此设备上操作减低了占地面积，减少了塔筒的倒运次数，大大提高了劳动生产率。此自动环、纵向焊缝焊接工装在实际使用中工装的升降平台水平和垂直方向都有倾斜现象，造成产品质量不稳定，操作人员出现安全隐患，设备工装寿命降低。笔者通过多次现场考察分析，提出一种最合适的解决方案，彻底解决生产中升降平台倾斜问题，使得此工装设备在提升风电塔筒制造的市场竞争力中发挥了重要作用。

1 塔筒焊接工装在使用中出现的问题

风电塔筒的生产工艺流程如图1所示。

图1 风电塔筒的生产工艺

如图1所示，风电塔筒的生产工艺是：钢板原材料生产前先进行严格检验，数控切割机下料，厚板需要开坡口，卷板机卷板成型后，点焊，定位，确认后进行内外纵缝的焊接，防腐处理后，包装外发。

1.1 塔筒焊接工装的主要结构图

塔筒焊接工装主要功能及结构如图2所示。

图2 塔筒焊接工装的主要结构图

(1) 前后行走“平车”主要功能承载整体设备前后移动到所需工作位置，它是由电动系统带动4个车轮沿指定轨道前后运动。

(2) 支撑架功能支撑升降平台，其结构为焊接支架固定滚轮支撑立柱支架，带动升降平台上下运动。

(3) 升降平台功能承载设备和操作人员根据焊接塔筒直径大小升降到所需的工作位置，其结构由槽钢焊接的矩形钢组成平台，其结构为由8组支撑架中的支撑轮，沿立柱，自动升降。

(4) 电控系统控制平车自动前后和提升升降平台上下运动。

(5) 立柱主要功能支撑整个焊接工装的升降平台上下运动，其结构为4根H型钢组合在一起形成。

环焊缝焊接工装适用于塔筒焊接的环向焊缝焊接，减少塔筒倒运次数，节约成本，减少工人的劳动强度，增加了操作人员的安全系数，并且能够适应多种大型圆筒类产品的制作，保证焊接质量。

1.2 问题及产生的后果

1.2.1 存在的问题

该产品是针对于焊接制作大型圆筒类工件焊接所设计的一种新产品。在风电塔筒生产的现场，升降工作台在上下运动过程中，升降的工作平台倾斜，水平方向和垂直方向均有倾斜现象，且垂直方向的倾斜程度大于水平方向的倾斜程度，平台倾斜最低面与最高面相差12 mm左右。在实际应用中观察发现，提升平台在静止时倾斜不明显，在上升、下降运动中倾斜比较明显。有负载的情况下发生率明显高于无负载的使用情况。

1.2.2 产生的后果

塔筒焊接工装在使用一段时间后，必须需要人工把升降平台调整平。否则会造成严重后果：①减低设备的使用寿命；②工作位置不稳定影响塔筒焊接质量；③倾斜的平台造成操作者在平台工作站立不平稳，存在安全生产隐患；④平台运送材料及工器具时造成高空落物的安全隐患。

1.3 提升平台出现倾斜原因

根据工装设备现场多次的使用观测及分析，平台倾斜的主要原因是：工作平台上下运动中，8个支撑轮中会有个别支撑轮与立柱支撑接触不好，存在间隙现象，使升降轮脱离立柱支撑面，造成立柱对升降轮的支撑，导向不足和刚性不足，造成出现支撑轮卡阻和悬缺陷，使得升降平台出现倾斜现象。造成的原因有以下四点：①支撑立柱在制造时存在垂直误差，立柱与平车成垂直度难以准确控制；②支撑立柱中心焊接尺寸制作误差；③平台支撑滚轮安装误差，安装时保证支撑滚轮与支撑立柱间隙保持不一致；④平台钢结构焊接制造中，尺寸存在偏差。

2 原因分析及解决方案

焊接工作平台上下运动时倾斜，其关键因素为升降平台的支撑轮与立柱存在间隙，造成平台会不在同一平面上下运动，消除支撑轮与立柱存在间隙，可行性的解决方案：

(1) 解决焊接工装平台倾斜的问题可以从增加立柱的强度，保证立柱的垂直度。但在在实际生产中由于运行轨迹的限制，增加立柱的强度无法实现，立柱是由4根“H”型钢焊接而成，成品型钢在制造时国家标准允许存在一定范围的制造偏差，而塔筒焊接工装升降平台支撑轮沿立柱上下运行中，不能存在偏差，因此次方案无法解决平台倾斜的问题。

(2) 严格控制焊接制造误差，保证焊接工装的制造精度消除升降平台倾斜问题。一方面，由于支架为钢结构的焊接件，从型钢及钢板下料会出现不可避免的1～3 mm误差，在在实际生产中会产生不可避免的制造误差。另一方面在焊接中使用电焊机在电弧的高温下焊接或多或少存在焊接变形，因此从控制制造误差方面很难消除平台倾斜问题

(3) 严格控制焊接安装误差，防止平台的倾斜，焊接工装高度为4.2 m，在这样的高度控制误差实现难度大，且由于型钢及钢板存在制造误差，原支撑滚轮结构无法实现可调节功能，因此从控制安装误差方面无法彻底解决升降平台运动时存在的倾斜问题。

(4) 采弹性较大的尼龙材料的导向轮，支撑滚轮用两种材料制成，表面与立柱接触的表面制成15 mm后的尼龙材料，其余部位用原钢件结构，两种材料用镶嵌形式结合。如图3所示。

图3 表面镶嵌尼龙材料的支撑轮图4 弹簧装置的支撑轮

采用表面镶嵌尼龙材料的支撑轮的优点是芯部及大部分结构是钢结构，保证了滚轮的刚度，与立柱接触支撑部位，利用尼龙材质自身的弹性，调节导向轮与立柱之间的间隙，使得支撑轮与立柱紧密，达到接触消除间隙，防止平台倾斜。但此方案的缺点是采用弹性材料增大了摩擦系数，增大了平台运动的阻力，使得原有的提升动力不足以提升升降平台，尼龙弹性材料其强度不够，会造成支撑滚轮耐磨性不好，降低其使用寿命，另外此种结构两种不同材质镶嵌，制造难度较大。因此此种结构虽能解决问题但其自身存在的缺陷，实际生产中不可取。

(5) 采用带有弹簧装置的支撑轮，在原滚轮结构下方安装4个弹簧装置，和4个导向柱。如图4所示。

如图4所示，采用弹簧装置的支撑轮优点是支撑滚轮与立柱的支撑面仍然为刚性支撑，保证了强度，支撑轮增加弹簧装置，利用自身的弹性调节导向轮与立柱之间的间隙，保证平台在同一水平位置，弹簧自身有一定的强度，接触面有不平位置及平台受力不均及振动情况，弹簧均可保持其原有的性能；安装导向装置使得支撑滚轮在弹簧一定范围内调整间隙，保证了弹簧的受力，和调整的精度，并延长了使用寿命。弹簧结构与原结构材料变化不大，保证了支撑刚保证了平台的刚度，使支撑轮与立柱支撑可靠，保证平台平稳运行。此结构制造相对简单，调整方便，允许调整间隙大，可扩大使用范围。缺点是增高原有支撑滚轮的高度，使用时需调整原有钢结构支撑架。

经过分析对比以上解决方案，方案(1)～(3)由于自身结构及材料制造的原有性能存在不可解决的问题。方案(4)虽能解决问题，但由于支撑轮表面镶嵌尼龙材质形式，弹簧刚度不够及摩擦系数大等问题，也不能采用，方案(5)带弹簧装置的支撑轮方式，其结构特点完全能解决焊接平台倾斜问题解决问题，此方案虽需要调整原有结构，但其改动量不大，且容易实现。经分析最终采用方案(5)带弹簧装置的方式。实际生产中经过改装使用，解决了以前升降平台倾斜问题，保证了产品质量和生产、人员安全运行。