风机外部维修平台抗倾覆稳定性分析

张 珂，白小龙，龙彦泽，李俊宏，孙 佳，吴玉厚

（沈阳建筑大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110168）

风机外部维修平台抗倾覆稳定性分析

张 珂，白小龙，龙彦泽，李俊宏，孙 佳，吴玉厚

（沈阳建筑大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110168）

基于牵引式风机外部维修起重平台整机的结构特点，采用力矩平衡法建立风机维修平台整机抗倾覆稳定性数学模型，分析计算出两种危险工况下平台整机的抗倾覆稳定性情况，并采用有限元分析法对平台框架进行特征值屈曲分析。分析结果证明该风机维修平台整机在工作状态下可达到整机稳定性，不会出现失稳现象，平台框架亦满足稳定性要求，并可为风机维修平台设计提供参考依据。

风机维修平台；整机稳定性；力矩平衡法；有限元分析法

风电维修起重平台通常应用在大型风电设备的安装和维修工程中，可用于滩涂、山丘等大型起重机械不能进入现场的场合，具有施工便捷、转移方便、适应性强等优点。风电机组常年处在酷热、严寒等恶劣的环境下进行工作，故由机械部件的磨损而引发的故障不可避免，日常维护可以解决较小的故障，但一些主要零部件的损坏却需要整体更换。风机外部维修起重平台主要用途就是对风力发电机机舱内部的零部件进行吊装、维修及更换，由于其使用场合的特殊性，用户对其整体稳定性要求越来越强烈。本文采用力矩平衡法计算风机外部维修起重平台整机的抗倾覆能力，用ANSYS Workbench软件对风机维修平台进行特征值屈曲分析，得出整机抗倾覆稳定性的结论。

1 工作原理及工况分析

1.1 工作原理

风机维修平台主要由夹紧机构、平台框架、起重机构及牵引机构4部分组成，其中夹紧机构和起重机构都固定在平台框架上。平台工作时顶舱内的缆绳垂至地面，与一个滑轮组相连，并将其送至涡轮机顶部，形成顶舱牵引系统。随后顶舱牵引系统将风机维修起重平台送至风机塔筒的顶部。当平台到达风机塔筒顶端之后，利用液压装置控制收缩夹紧机构，抱住风机塔筒，让整个维修设备在高空更加稳固，使得它在离地面约70m、风速高达15m的高空也能安全工作。风机维修起重平台整机三维Solidworks模型如图1所示。

图1 风机维修起重平台整机三维模型

1.2 工况分析

根据风机维修过程的作业性质、作业性能，可知维修平台在工作过程中可能出现以下3种极限工况，分别为起重臂左悬吊、中间悬吊及右悬吊三种状态，其中起重臂左悬吊与右悬吊工况受力情况相似，只是起重臂右悬吊过程中机构重心相对销轴中心位置力矩更长，产生的弯矩更大，因此我们仅就右悬吊和中间悬吊两种工况进行分析计算。

工况1:起重臂右悬吊、额定起重量10t、吊重距回转中心距离3.2m；工况2:起重臂中间悬吊、额定起重量10t、吊重距回转中心距离3.2m。为了便于分析计算，绞盘、吊车、抱卡液压站等均用小长方体代替，工况1、2示意图如图2、图3所示。

图2 工况1示意图

图3 工况2示意图

2 整机抗倾覆稳定性分析与计算

风机维修平台整机的抗倾覆能力由平台自重相对支撑平面的倾覆轴线具有的力矩决定。当外力相对支撑平面的倾覆轴线产生的倾覆力矩小于抗倾覆力矩时，平台保持稳定不倾覆，反之，平台产生倾覆。根据高空作业平台设计规范，结合风机维修平台自身的结构特点，借鉴已有的起重机抗倾覆稳定性的计算方法，本文采用力矩平衡法分别计算两种工况下的横向及纵向稳定力矩和倾覆力矩，比较稳定性安全系数进行验算。

2.1 工况1下的整机抗倾覆稳定性模型求解

在不影响分析计算的情况下，为了便于观察以及节省空间，将起重机构伸缩臂缩合状态来表示吊臂全伸长13m，吊臂仰角为75°时的状态。悬吊式风机外部维修起重平台横向与纵向的受力分析图如图4所示。

在工况一条件下，利用力矩平衡法，分别列出风机维修平台横向和纵向整机抗倾覆稳定性的数学模型。

2.1.1 工况1下的平台整机横向抗倾覆稳定性分析计算

稳定力矩

图4 平台受力分析示意图

其中：MS为稳定力矩；F为夹紧臂夹紧力；L1为夹紧臂夹紧力作用点到倾覆点Q的垂直距离；θ为平台底盘允许的最大倾角，取θ=1°。

倾覆力矩

其中：Mt为倾覆力矩；Gt为平台组件自重；L2为平台组件自重作用点到倾覆点Q的垂直距离；G为吊重；L3为吊重作用点到倾覆点Q的垂直距离；Ge为随车吊重量；L4为随车吊重心到倾覆点Q的垂直距离；Gk为液压站总重量；L5为液压站重心到倾覆点Q的垂直距离；Fe为作用在随车吊上的风力，L6为风力在随车吊上的作用点到倾覆点Q的垂直距离。

依据GB 3811-2008《起重机设计规范》，风机维修平台的稳定性安全系数

可见工况1条件下，虽然稳定性安全系数接近于1，但是平台工作过程中远远达不到如图所示的极限位置，所以平台横向是稳定的。

2.1.2 工况1下平台整机纵向抗倾覆稳定性分析计算

稳定力矩

其中：L8为平台组件自重作用点到倾覆点Q的垂直距离。

倾覆力矩

其中：Fz为作用在设备上的风力；L7为风力在设备上的作用点到倾覆点Q的垂直距离。

依据GB3811-2008《起重机设计规范》，高空平台的稳定性安全系数

可见在工况1条件下，平台整机的纵向是稳定的，并且还有非常大的安全储备。

2.2 工况2整机抗倾覆稳定性模型求解

在工况2条件下，悬吊式风机维修起重平台整机横向和纵向受力分析如图5所示。

图5 平台纵向受力分析示意图

利用力矩平衡法分别列出平台整机横向和纵向抗倾覆稳定性的数学模型。

2.2.1 工况2下平台整机横向抗倾覆稳定性分析

稳定力矩

倾覆力矩

依据GB 3811-2008《起重机设计规范》，高空平台的稳定性安全系数

所以在工况2条件下，平台整机横向也是稳定的。

2.2.2 工况2下平台整机纵向抗倾覆稳定性分析

稳定力矩

倾覆力矩

依据GB 3811-2008《起重机设计规范》，高空平台的稳定性安全系数

所以在工况2条件下，平台整机纵向也是稳定的。

3 风机维修平台局部稳定性分析与计算

平台框架主要由工字钢和槽钢焊接而成，包括底部承重梁和侧向加强梁。它是风电维修起重平台的主要承重部件，该部分稳定性的好与坏，对保证风机施工安全、减少安全事故具有十分重要的意义。其上放置起重吊臂和液压站等部件。在风电维修起重平台工作的时候，与平台底盘固定连接的法兰盘会承受很大的力矩载荷，而后部的承重梁要承受液压站和液压绞盘等部件的重力载荷。平台整机结构比较复杂，网格划分工作量非常大，故仅对平台框架进行分析，本文利用ANSYS workbench分析软件模拟风机维修起重平台整机的实际工作情况，创建平台机构的APDL参数化模型，进行该平台框架的特征值屈曲分析。

3.1 建立简化实体模型

考虑到工字钢、槽钢的材料特性，能够承受拉、压、弯、扭特性，材料的弹性模量E＝70GPa，泊松比λ＝0.3，密度ρ＝2.7t/m3。网格划分完毕后，平台框架有限元模型如图6所示，该模型共有94454个节点，40820个单元。

图6 平台框架有限元模型

3.2 平台框架特征值屈曲分析

对已建立的平台框架有限元模型施加约束和外载荷：在平台4个连接板的孔面上施加固定支撑模拟悬臂梁的固定端，对2根主要承重工字钢顶面距离工字钢末端1825mm的节点处施加竖直向下的单位集中力载荷，对平台框架施加竖直向上的重力加速度，用惯性力来模拟其重力，指定总变形为计算结果求解结构静力学分析，然后指定总变形即屈曲模态为计算结果，求解线性屈曲分析，得出平台机构前6阶的屈曲特征值和屈曲模态，平台框架前6阶屈曲特征值如表1所示。

表1 平台框架前6阶屈曲特征值

查看屈曲模态结果和屈曲载荷因子，如图7所示，图中左上方显示的Load Multiplier值即为屈曲载荷因子，由于结构静力学分析时施加的是单位载荷，所以平台框架的临界压力值等于屈曲载荷因子，即平台框架的临界压力值为375990N。这在风机维修平台的实际工作中是非常安全的，不会发生屈曲破坏，因此平台框架具有很好的稳定性。

图7 平台框架屈曲模态

4 结 论

1）本文利用力矩平衡法，建立了风机外部维修平台整机的抗倾覆稳定性数学模型，根据现行的起重机设计规范，对风机维修起重平台进行了整机抗倾覆稳定性分析，分析计算出两种工况下整机的抗倾覆稳定性。结果表明，在两种危险工况下，悬吊式风电维修起重平台整机稳定性良好，不会发生倾覆现象。

2）利用ANSYS workbench分析软件对平台框架进行了特征值屈曲分析，分析结果表明，该平台框架在实际工作过程中不会发生屈曲破坏，能够达到稳定性要求，可以满足风机维修平台的技术指标。

3）此外，该风机维修平台具有结构紧凑、维修方便等特点，在风机维修、维护等实际应用中将会取得良好的工作效果。

[1] GB 19155-2003，高处作业吊篮[S]．

[2] 张 珂，赵 亮，孙 佳，等．14m大型高空作业平台力学性能分析[J]．沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2010，26（4)：772-776．

[3] 张 珂，黄小征，陈建平，等．自行式高空作业平台结构稳定性分析[J]．中国工程机械学报，2013，11（1)：11-15．

[4] 郑夕健，谢正义，张国忠．基于ANSYS的塔式起重机结构稳定性分析[J]．建筑机械，2007，(11)：76-78.

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(编辑 贾泽辉）

Resist overturning stability analysis on wind turbine external maintenance platform

ZHANG Ke, BAI Xiao-long, LONG Yan-ze, LI Jun-hong, SUN Jia, WU Yu-hou

TH211+.6

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1001-1366(2015)11-0041-04

2015-09-10