可调节吊装范围的海上风电塔筒基础吊梁研制及应用

施洪慧 孙凯泽

（领新（南通）重工有限公司，江苏 南通 226017）

0 引言

目前风能作为再生清洁新能源之一被广泛利用，风力发电产品品种繁多，前景广阔，海上风电比陆上风电具有更多的优势。海上风电机组的塔筒基础具有体积庞大、重量重等特点，且由于无专用吊梁，造成安装吊运过程极其困难和繁琐。海上风电机组安装有整机安装法和分体安装2 种[1]，为了更加安全高效地完成安装作业，近年来以在制作厂区整机模块式将风机整体安装好，然后用特殊风机安装运输船运输到指定海域进行下沉式整体安装的方案尤为先进突出，此安装方式具有良好的市场前景。在整机安装海上风机结构时，需要配备一些大吨位及大起升高度的专用起重机械，尤其对于重量和体积超大的塔筒基础的吊运对起重设备及其辅助吊具更提出了极高的要求[2]。

传统吊运货物一般采用在起重机械的吊钩下加挂简易吊具，或者直接使用钢丝绳卸扣等方式。而随着起吊货物的尺寸重量不同，需要配备不同规格的吊具或者钢丝绳。这样频繁地更换吊具，不仅浪费了大量的时间，还需要人工进行辅助操作，存在劳动强度大、工作效率低、作业成本高、安全隐患多等缺点。对于大型工件的吊装目前有单一扁担梁式，但因吊具起吊点在一直线上，重心不好控制，起吊过程易侧翻[3]。另有一种框架结构吊具有4 个吊点，克服了单一梁式的不平衡性，但起吊范围固定，只能用于同一种规格的工件，应用仍然有局限性[4]。因此需要开发一款既要平衡性好，又能够调整吊装范围的吊具，以高效安全地完成风电塔筒基础的吊装作业任务。

1 研制目的

海上风力发电机结构部分主要由叶片、塔筒筒体、塔筒基础3 个部分组成，其中塔筒基础起到基础稳固作用，并需要有足够抵抗海上抗风和潮浪影响而倾覆的能力，因此需要有相当大的重量和尺寸。塔筒基础随着风电机组的规格的不同，尺寸重量也有较大差异，在吊装庞大而极重的塔筒基础时，因没有配套的吊装工具，使得吊装作业困难重重。通常需要许多人手，利用升降车到达各起吊位置，将各分离的挂具分别固定好，再与起重吊机的吊钩进行挂钩工作，劳动强度极大，工作效率低，且属于空中作业安全隐患也极高。另由于不同功率的风电机组的塔筒基础尺寸各异，不同直径的基础起吊吊点位置也各不相同，这就需要使用倒多种规格的吊具以适应不同的塔筒基础的吊装作业。

该文以海上风力发电行业塔筒基础600 t 专用梁式吊具作为研究对象，展开系统的分析研究，以获得一种可快速调节起吊范围的专用吊梁[5]，该吊梁不论是承载能力，还是吊装范围，以及操作便捷性方面都较传统吊具有了很大改进，并可推广应用于风电产品等其他大工件的吊装生产，使之与快速发展的风电产业相匹配。

2 结构方案设计

该专用吊梁是针对不同起吊位置的工件进行研究设计的，设计的目的是在起吊各结构尺寸不同的工件时，能平衡好吊点，快速、安全、平稳、有效地进行起吊作业。

为了实现以上目的，合理地调节吊装范围，本案例吊梁设计起吊能力为600 t，整根吊梁总长约38 m，包含有主梁和副梁各2 根，采用对称式双支承主梁和双支撑副梁的“井”字结构形式。设计有4 组轨道，每组轨道的设计承载能力为150 t，分别安装在主梁和副梁底板上[4]。如图1、图2 所示。

设计的4 组滑轮组可在轨道里进行滑动，来满足各工件的起吊点位置要求。起吊前先将专用吊梁上的滑轮组移动到起吊点位置，然后用2 组M20×100 的螺栓对每个滑轮组进行顶紧固定，防止滑轮组在轨道里随意的滑动，保证吊点的平衡，满足起吊时的安全、稳定、有效，这种操作非常便捷快速，如图3 所示。

3 计算选用

考虑到吊梁需要承载一定的载荷，梁体部分一般采用符合GB/T 699《优质碳素结构钢》、GB/T 1591《低合金高强度结构钢》、GB/T 3077 《合金结构钢》和GB/T 16270《高强度结构钢热处理和控轧钢板》等相关标准的材料。本科调节吊梁主体结构选用材料为Q345B，安全系数k=2，许用应力为[σ]=220 MPa[4]。吊梁上部设立2 个与起重机的吊钩，吊钩起重量为2×300 t=600 t， 考虑动载系数φ=1.0。利用ANSYS 9.0 计算程序分别进行主体结构应力及滑轮轴应力计算分析。

吊具最大应力值为σmax=16.795 kN/cm2=167.95 MPa，结构材料为Q345B，σs=325 MPa， [σ]=345/2=172.5 MPa，σmax＜ [σ]。主体结构符合使用要求。

参照图4，滑轮轴力和参数按最大力工况如下：

图1 600 t 可调节范围塔筒基础专用吊梁结构示意图

图2 600 t 可调节范围塔筒基础专用吊梁模型图

最大力：N=308.7 kN

轴外开档：A=190 mm

轴内开档：B=86 mm

轴挡板厚度：C=40 mm

轴直径：D=90 mm

轴材质：40 Cr

屈服强度：σs=540 MPa

应力计算如下：

轴最大弯矩：Mmax=N/2×（A/2-C/2-B/4）

截面抗弯模数：W=πD3/32

应力计算公式：σ= Mmax/W=115.38 MPa

许用应力：[σ]= σs/1.5=360 MPa

应力校核：σ/[σ]=32.05%。

滑轮轴满足设计要求。

图3 吊梁、轨道、滑轮安装示意图

4 应用效果

设计科学。与原有单一扁担式吊梁或钢丝绳吊索具相比，此种可调节吊装范围的吊梁结构优越性明显。单梁式平衡性差，用于超大构件重心不稳定。该吊梁面对大小规格各异的工件时，能平衡好各起吊点位置，有利于控制实际工况，提高了工件在起吊、转运过程中的平衡性。因为是利用了对称“井”字结构，合理分配各吊点的载荷，避免了因载荷分配不均而导致索具损坏及工件倾覆事件的发生。

操作方便。原先为了吊装一个塔筒基础，光准备工作都要花费半天时间，还需要多人配合方能完成。现在只需要将此吊梁一次性固定在起重机的吊钩上，使用时将吊梁下降到接近地面高度，再将吊梁滑轮沿着吊梁下的滑轮移动到需要起吊的位置，然后快速以螺栓固定住，一个人便可以完成操作，非常便捷，效率提高了近50%。

安全经济。使用此吊梁不仅避免了原来起吊风电塔筒时需要多人力及多设备配合的状况，不用为了挂钩登高作业，而且还降低了劳动强度，减少了安全隐患，提高了工作效率。生产成本得到了很好的控制。

推广价值高。此种新型可调节吊装范围吊梁，不仅可用于风电塔筒基础的吊装，也可用于风电塔筒等其他构件的安装吊运，使用范围广，解决了风电塔筒基础等大型构件的起吊安装难题，确保了风电产品安装项目吊运的安全可靠。

图4 滑轮轴应力分析图

5 结语

在现有的起重辅助设备研究设计的基础上，运用现代设计方法，遵循节能环保原则，采用对称式双支承主梁和双支撑副梁的“井”字结构形式，增大起重吊装承载重量的范围。采用三维模拟结构形式进行研究，提高了吊梁的使用性能，减少了起吊移动时故障发生的机率。将塔筒基础吊梁的主梁采用轨道与滑轮相结合的结构模式，可快速适用于不同规格工件的起吊。通过对海上风电塔筒基础用可调节吊装范围吊梁的研制及应用，创造了国内根据不同筒径起吊辅助吊具的首例，具有重要的现实意义和推广应用价值。