风电塔筒盖板防回落用保护装置的研制与应用

冯东东 许子超 王大海

摘要：为解决在役风电塔筒用盖板回落而造成的登塔作业人员的安全问题，本研究通过计算及结构分析设计盖板防回落保护装置，利用SolidWorks软件对其进行三维建模及运动仿真，验证该设计的可行性。结果表明，回落伸缩保护装置能够很好地满足塔筒盖板使用工况的要求，能够很有效地保护作业人员的人身安全，可以为安全生产保驾护航，以供参考。

关键词：结构设计；平台盖板；防回落；气压杆

DOI：10.12433/zgkjtz.20233435

风电塔筒是风力发电的塔杆，在风力发电机组中主要起支撑作用，同时吸收机组震动。近年来，随着风电行业的快速发展，风电塔筒已成为国内外风电装置的重要组成部分。目前，风机塔筒在每段塔筒连接处均设置平台，每层平台均预留平台通道，主要用于供工作人员风机塔筒内安装和维护风机塔筒。然而，登塔工作人员在风电塔筒中通行作业中存在许多安全隐患，例如，平台盖板回落可能会砸伤工人头部。传统塔筒平台盖板的开闭方式是需要运维人员在登塔作业时频繁手动打开和关闭盖板，不仅会消耗工人大量体力，也容易导致运维人员疲劳，从而使得盖板未闭回落伤人事故发生率较高。另外，在运维人员穿过平台盖板时，盖板可能由于风力等晃动回落，导致身体磕碰。因此，工作人员从塔筒底部爬到顶部维护，除了具备扎实的专业技能外，人员自身安全也要特别注意，避免发生盖板回落事故而伤人损财，增加风力发电机的维护成本。

为了提高塔筒通行作业效率，解决传统手动开闭存在的盖板回落造成伤人风险的问题，本文通过结构设计与受力分析，开发一种风电塔筒盖板用伸缩保护装置，其安装使用后能保障运维人员在塔筒升降作业时的安全性和可靠性，为行业发展提供有力保障。

一、防回落装置的方案设计

本文基于《机械设计》的相关内容，提出一种方便实惠的风电塔筒平台盖板防回落装置的设计方案，盖板防回落装的置整体结构图如图1所示。此装置主要由固定底座、链接支架、伸缩气压杆、铰链等部分所构成，主要利用气压杆稳定伸缩升降的原理，作业人员通过升降梯后对盖板施加一定作用力才能使盖板闭合，防止因震动或风力等造成回落，保证工人通行安全。此装置的特点是结构简单、工艺性好、安装方便，在狭小空间内满足使用需求，基本不占用通行作业人员的活动空间。另外，此装置使用起来方便快捷，无需专业技能，工作人员只需按照说明进行操作就能轻松掌握。

1—平台盖板；2—链接支架；3—伸缩气压杆；

4—底座支架；5—铰链；6—固定底座

二、伸缩气压杆设计

在本装置中，伸缩气压杆可以防止盖板回落，是由载荷柱和活塞杆两部分组成，如图2所示。载荷柱直径较大，用于支撑盖板的重量，活塞杆是连接载荷柱和活塞的部分，直径较小，用于传递和调节压力。根据风电塔筒里面的环境，载荷柱的材质选择铝合金，活塞杆的材质选择不锈钢。在气压杆载荷柱内部压入的是惰性气体，使其具备支撑、缓冲、制动、高度调节等功能。工作原理是：载荷柱套筒内充满气体后，因活塞上有一节流小孔，使活塞左右两腔压力相等，活塞的运动是按差动原理工作的。在本装置中，气压杆起到阻尼弹簧的作用，当打开盖板时，活塞将向左端移动，右腔受力大于左腔受力，在气压作用下平台盖板呈现打开状态，并防止回落。当人员通过后用手力施加一个较大的力，可以使活塞克服左腔压力并缓慢移动到右端位置，这时可以用机械结构将载荷锁紧，使之固定。本文针对所研究风电塔筒平台盖板的实际尺寸，考虑气压杆的有效行程，最终设计伸缩气压杆的尺寸如图3所示。其中，载荷柱套筒外直径为50mm，注入压缩气体的压力为5.10kgf/cm2，套筒内活塞面的截面积为7.07cm2，气压杆能产生的理论推力约为36kgf，此推力值满足设计要求。

三、装置受力分析

风电机组塔筒平台盖板大多是规则的长方体，会根据爬梯位置和安装护栏在边部开制不同规则的缺口，但盖板的总体重量相差不大。盖板所用材料为Q235b钢材，盖板厚度为5mm，一般盖板的长、宽约为1100mm×600mm，重量约为25.7kg。设计的防回落装置结构如图4所示。盖板、支架和气压杆大致构成一个三角形受力结构，如图5所示。其中，w为盖板重力，F为气压杆作用于盖板法线上的推力，FX和FY分别为支架对盖板水平和垂直方向上的作用力，受力关系可由公式（1）和（2）表示：

假设盖板与平台夹角θ由90°偏转为75°，即盖板合上15°，在这种条件下，线段AB为550mm，线段AC约为530mm，w为252N，代入到公式（1）和（2）中联立方程组，计算得出F 的值为186N，约为19kgf，小于伸缩气压杆的理论推力36kgf，说明即使盖板因塔筒振动或风力等原因偏转15°，也不能克服装置的推力而发生回落。同理计算其他几种盖板角度，结果表明在所有角度下盖板对气压杆所施加的伸缩方向的反推力都小于理论推力值，可以保证盖板在不施加一定外力手动作用下不会发生回落。

四、三维数字建模分析

利用SolidWorks三维建模软件设计平台盖板防回落装置。为了保证本设计的可行性，采用SolidWorks软件对平台盖板防回落装置进行三维建模，如图6所示，完成了整体的装配，并进行简单的运动姿态模拟仿真，实现盖板的转动、闭合和气压杆伸缩等功能，盖板开合过程不存在障碍位置，气压杆伸缩通畅。

盖板防回落装置采用了高强度的材料和坚固的结构设计，可以承受较大荷载，能有效防止盖板回落，提高工作效率，而且本装置安装简单，无需对风机平台进行焊接等动火作业，因此，使用起来更加方便快捷。通过底座支架、伸缩杆和铰链的配合作用，降低转动件损坏性，延长了盖板的使用寿命。从结构设计角度看，该技术的使用无需对平台进行大量的改造工作和材料处理，不会产生很多废弃物，减少了对作业环境的影响。除此之外，该技术的优势还体现在风电塔筒的通行作业中，也可广泛应用于各种高空作业，避免发生坠落事故，保障高空作业人员安全，提高施工效率。

本装置在通辽国华代力吉风电场的风机塔筒平台获得了实际安装应用，共安装了198台风机塔筒里面的平台盖板，施工后的装置如图7所示。此盖板防回落装置的安装只需1根伸缩气压杆、2个底座支架和几颗螺丝钉，无需改造风机平台，减少了材料浪费，对环境友好。实际安装效果表明，装置可以满足塔筒盖板使用工况，能有效保障作业人员安全，减少事故发生。

五、结语

综上所述，为了解决由于役风电塔筒平台盖板回落而造成的登塔作业人员的安全问题，本研究通过结构设计和优化分析后研制了一种盖板防回落保护装置，该装置结构简单，实用又经济，便于安装。经过实际安装测试，该装置满足塔筒盖板使用工况的需求，可以很好地保护好作业人员的安全，能为安全生产保驾护航，提升整个作业流程的安全性和可靠性。

参考文献：

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