基于LS-DYNA风电安装起重机溜桩工况安全高度计算

陈祖强　陆忠华

上海振华重工(集团)股份有限公司



基于LS-DYNA风电安装起重机溜桩工况安全高度计算

陈祖强陆忠华

上海振华重工(集团)股份有限公司

针对风电起重机打桩过程中可能出现的溜桩现象，基于ANSYS/LS-DYNA显性动力学分析，合理简化起重机打桩时挂钩段钢丝绳与桩锤模型，获得钢丝绳拉力与桩锤位移的实时变化数据，并同能量守恒法计算结果对比，得到挂钩段钢丝绳合理松绳量，为风电起重机打桩作业提供可靠的施工数据和安全保证。

风电； 溜桩； 起重机； ANSYS/LS-DYNA

1　前言

风能作为一种清洁可再生能源，越来越受到世界各国的重视，特别是风力发电行业，国内这几年正蓬勃发展，配套的风电起重设备及相关新技术不断涌现。如何提高风电起重机打桩效率， 确保作业安

面加工精度。加工中保证轴承结合面、刀架上平面以及上法兰面三者平面平行极为重要，轴承面为基准，其他两个平面保证与基准面平行。车削后须保证平面度和光洁度在0.2 mm以内。

3.6拆除保险下放过程

机加工后切割轴承框架，以及防风保险等。倒档位置切割槽钢后必须用角磨机打磨光滑后方可将倒档支座放上。门机下放过程为顶升过程的反向操作，操作过程必须听同一指挥人员统一指挥，每次下放在50 mm以内进行1次测量调整，保证4点误差在5 mm范围内，通过一次倒档后可将门机放下。在完全放到位置前将各处螺栓穿孔到位，调整轴承位置使螺栓不受剪切力。

3.7紧螺栓过程

在轴承完全放到位后用手将螺柱上下螺母带好，保证上下至少有3扣外露，螺母下面加高强平垫，严禁使用弹簧垫。轴承调整定位后，用力矩扳手分低、中、高3次预紧，并按交叉180°方向对称拧紧，步骤顺序按说明手册。最后使安装螺栓预紧力达到螺栓屈服强度的70%，即10.9级螺栓预紧力为665 kN。

3.8试车检测

安装好轴承及中心滑环电气和集中润滑、接油盘、小齿轮等附件后，对大轴承进行加油试车测试。用1档回转试车，检查齿面啮合情况，听回转时是否有异响，测量齿节圆径向跳动间隙是否小于0.7 mm，轴承与法兰面结合处间隙是否小于0.2 mm。再进行2档和4档测试，确认左右和最大最小变幅回转均无异常，试车运转平稳无噪声后，可恢复正常使用。

赵雍：061113，河北省沧州市渤海新区

全，一直成为风电起重设备行业的热门话题[1]。本文针对风电起重机打桩过程中可能出现的溜桩现象，基于ANSYS/LS-DYNA进行显性动力学分析，得到挂钩钢丝绳拉力与桩锤位移的实时变化数据，并同能量守恒法计算结果对比，为风电起重机打桩作业提供可靠的施工数据和安全保证。

2　溜桩分析及其危害

我国东南沿海地区地质复杂，地基软硬变化没有规律。起重机带桩施工过程中，偶尔会出现溜桩现象。一般情况，溜桩有2种情况：一是桩基在起吊或在稳桩过程中产生下降，这种情况完全可以依靠地面技术人员认真监测予以克服；另一种是在沉桩时，贯入度突然变大，桩基加速下降，若对溜桩预计不足，不仅对桩身本体会造成裂缝、断桩等危险，而且对起重机也会造成伤害，严重时机毁人亡。

以第2种情况为例，溜桩对起重机的危害主要表现为：打桩初始，起升钢丝绳松弛(见图1)，打桩锤重量全部由钢桩承担；打桩锤启动后(或运行一段时间)，地基一下被击穿，桩基加速下降，出现溜桩，在无有效保护措施情况下，打桩锤立即悬空，以近似自由落体的方式向下运动直至钢丝绳绷紧(见图2)，此时会对起重机造成巨大冲击，使吊钩、滑轮、钢丝绳及钢结构等起重机部件受到不同程度的损坏。起升绳松弛量越大，打桩锤自由落体产生的冲击力就越大，如果钢丝绳等承受的载荷超出相关安全设计载荷，势必对起重机造成极大破坏。在设计起重机时，也是不允许钩头及重物产生高速重载类冲击载荷的。因此，分析第2种溜桩过程及其所产生的冲击影响，可为打桩作业时提供可靠依据和安全保障[2]。

图1　打桩初始起升钢丝绳松弛

图2　打桩锤悬空钢丝绳绷紧

3　溜桩安全高度计算

3.1安全高度计算思路

以某项目打桩起重机为例，为简化动力学计算模型，将钩头及以上部分，连同起重机一起视为整体，通过ANSYS建立有限元模型，计算打桩工况下的起重机部分结构刚度。ANSYS/LS-DYNA中只需要考虑桩锤及其与钩头之间的挂钩段钢丝绳，其中该挂钩钢丝绳的刚度采用起重机整机刚度。经过重复多次验算，初定钢丝绳松弛高度，也就是桩锤自由落体高度为340 mm，到挂钩钢丝绳开始受力时，桩锤自身会产生一个初速度，与重力加速度一起作为动态计算中质量单元桩锤的初始载荷。经过仿真分析，可以得到挂钩钢丝绳拉力与桩锤位移之间的关系，同时，将该段钢丝绳最大拉力与设计安全载荷进行比较，验证初定钢丝绳松弛高度的合理性。

3.2起重机整体刚度计算

整机刚度计算所需的基本数据如下：

吊钩总成和打桩锤

(以S800液压冲击锤为例)

总质量281.4 t

起重机结构刚度

K1=1.689e7N/m

钢丝绳的弹性模量

E=1.3e11N/m2

钢丝绳线密度

ρ=11.75 kg/m

绕绳倍率

m=20

钢丝绳悬挂长度

L=68 m

钢丝绳设计安全载荷

Fs=8.447e6N

弹性模量E，线密度ρ，绕绳倍率m及钢丝绳悬挂长度L代入(1)式得：

(1)

K1和K2代入(2)式，得到起重机整机刚度：

(2)

3.3仿真计算

3.3.1边界条件

设定挂钩段钢丝绳原长1 m，桩锤自由落体高度H=0.34 m，到挂钩段钢丝绳开始受力时桩锤自身会产生一个初速度，与重力加速度一起作为动态计算中的载荷。

3.3.2计算结果

由LS-DYNA仿真计算可知，当t=0.315 s时，桩锤Y向位移变化值达到最大，为646.5 mm，对应挂钩钢丝绳拉力达到最大值8.41e6N(见图3～5)。

图3　t=0.315 s时桩锤Y向位移及挂钩段钢丝绳拉力云图

图4　t=0～1 s挂钩钢丝绳拉力时程图

图5　t=0～1 s桩锤Y向位移时程图

3.4理论验证

将挂钩段钢丝绳视为弹簧，根据能量守恒原理，可知弹簧伸长量为ΔL时弹簧储存的能量为1/2×K×(ΔL)2，相应的势能减少量为m×g×(H+ΔL)，即为：

(3)

式中，ΔL和H为未知量，式(3)方程无法直接求解，在实际计算时可先确定一个H值，此时上式转变成一个一元二次方程，解此方程可得到ΔL，再跟据弹簧拉力计算公式：

(4)

求出自由落体H时钢丝绳的受力。根据3.3.1设定，取H=0.34 m，根据式(3)得到：ΔL=0.647 m；由(4)式得：F=K×ΔL=8.422e6N。

ΔL=0.647 m 和F=8.422e6N与3.3.2节LS-DYNA仿真计算结果近似一致，由此可见仿真计算结果是合理可信的；同时，两者计算所得的挂钩段钢丝绳最大拉力均接近并小于钢丝绳设计安全载荷Fs(见3.2)，因此，自由落体安全高度的最大值为0.34 m。

4　结语

为了保证打桩作业的起重设备安全，作业开始时尽量对打桩地质进行详细勘察，避免因地基问题或操作失误而导致溜桩事故，同时，钩头与桩锤间的挂钩段钢丝绳松绳距离需保证在安全范围之内。

本文借助ANSYS/LS-DYNA显性动力学分析平台，合理简化起重机打桩时挂钩段钢丝绳与桩锤模型，得到钢丝绳拉力与桩锤位移的实时变化数据，并同能量守恒法理论计算结果对比，最终得到挂钩段钢丝绳合理安全的松绳量，应用于某项目风电起重机实际打桩作业中，取得良好的预期效果，为起重机用户赢得安全保证和进度保障。

[1]刘志杰，刘晓宇，孙德平，等. 海上风电安装技术及装备发展现状分析[J].船舶工程，2015：1-4.

[2]郭生昌,吴少霖. 沉桩施工溜桩问题分析及解决措施[J]. 水运工程，2011：163-166.

陈祖强：200125，上海市东方路3261号

收稿日期：2016-05-24

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.05.013

Calculation of Safe-height-range for Wind Power Installation Crane in Pile Running Working Condition Using LS-DYNA Module

Chen ZuqiangLu Zonghua

Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.,Ltd.

In view of pile running phenomenon that happened in the wind power crane′s piling process, this paper establishes a reasonable simplified model of hook rope and pile hammer using the ANSYS/LS-DYNA explicit dynamic analysis module. From the dynamic simulation, it is able to obtain real-time data of the axial force of the rope and displacement of pile hammer. Then the model is compared with the result that obtained from the energy conservation method. From the comparison, it is observed that a reasonable rope slack range is obtained with dynamic simulation, which provides reliable engineering date and security assurance for wind power crane′s piling.

wind power; pile running; crane; ANSYS/LS-DYNA

2016-01-23

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.05.012