（机械电子工程专业论文）风力发电机组桩基基础起吊机具的研究.pdf

一一一 一 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： m i ii l l l l l l l li ii l ll i l ti ii l l li i i i i i y 18 0 8 8 4 2 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho nt h el i f t i n ge q u i p m e n to f w i n dt u r b i n em o n o p o l ef o u n d a t i o n c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： f e n gc h u n h u a p r o f w a n gl i q u a n m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 m a r c h ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y f 、 _ f 一 一 j 。 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：乡当豸攻 日期：知f d 年乡月j 乡日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编笋。 作者( 签字) ：冯赉旋导师( 签字) ：么么夕7 日期：劲o 年弓月圬日洲。年弓月疋日 1 函 0 & 毒 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着全球经济的发展，风能作为一种清洁的可再生能源迅速发展起来， 越来越受到世界各国的重视。中国地域广阔，风力资源丰富，发展前景广阔， 随着风电技术的发展，风电设备安装机具的发展应运而生，但是国内安装机 具主要依靠国外的支持，本文的研究目的是研制拥有国内自主知识产权的风 机桩基基础起吊机具，填补我国在这一领域的技术空白，为推动我国风力发 电提供技术支持。 本文介绍了国内外风力发电机组的几种基础结构，以桩基基础为研究对 象阐述了国内外风力发电机组桩基基础起吊机具的发展概况，提出了桩基基 础起吊机具的研究内容。根据桩基基础吊装作业的要求，分析了桩基起吊过 程中局部受压时强度性能。在研究国外起吊机具的基础上，针对桩基直径和 重量的不同，设计了用于小直径、重量轻的单边机具和用于大直径、重量重 的双边机具。 设计了单边机具和双边机具的机械结构，单边机具包括机架、夹紧部件 和伸缩杆组件的设计，双边机具包括吊梁、大端吊臂总成和小端吊臂总成的 设计；研究了单边机具和双边机具夹紧力的计算。对单边机具和双边机具的 整体强度进行了分析，利用有限元分析软件对主要零部件进行了基于强度和 刚度的有限元分析，以及夹紧件表面接触齿的接触强度分析。设计了起吊机 具液压同步控制系统，采用基于电液比例方向节流阀技术的同步控制，完成 了同步控制系统的建模，并且通过p i d 进行主缸回路和从回路的校正及仿真。 完成了实验样机的试验，实验结果表明：所研制的起吊机具的实验样机 能够完成桩基起吊的整个过程，机具样机的实验性能达到了实际工程的性能 指标，为后续的工程设计提供了可靠的技术设计参考。 关键词：桩基基础；起吊机具：结构设计；液压系统设计；样机实验 a b s t r a c t w i t ht h eg l o b a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，w i n dp o w e rh a sd e v e l o p e dr a p i d l ya s ac l e a na n dr e n e w a b l ee n e r g y , a t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na r o u n dt h e w o r l d c h i n aw i l lh a v eab r o a dp r o s p e c tw i t hh i sv a s tt e r r i t o r yr i c hi nw i n d r e s o u r c e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew i n dp o w e rt e c h n o l o g y , w i n dp o w e r i n s m l l a i o ne q u i p m e n tc a m ei n t ob e i n g h o w e v e r , i n s t a l l a t i o ne q u i p m e n tr e l y m a i n l yo nt h ed o m e s t i cf o r e i g ns u p p o r t ，t h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi st od e v e l o p al i f t i n ge q u i p m e n tu s e di nw i n dt u r b i n ef o u n d a t i o nw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t so fd o m e s t i c f i l l e dt e c h n o l o g yg a p si n t h i sa r e a , i no r d e rt o p r o m o t ew i n dp o w e ri nc h i n a t op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r t t m st h e s i sd e s c r i b e ss e v e r a lb a s i ci n f r a s t m c t u r e su s e di nt h ew i n dt u r b i n ea t h o m ea n da b r o a d ，a n de l a b o r a t e dt h ed e v e l o p m e n to fl i f t i n ge q u i p m e n ta b o u t d o m e s t i ca n df o r e i g nw i n dt u r b i n e ，a n dp r o v i d et h er e s e a r c hc o n t e n ta b o u tt h e l i f t i n ge q u i p m e n to fm o n o p i l ef o u n d a t i o n a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t so f m o n o p i l ef o u n d a t i o nl i f t i n go p e r a t i o n s ，a n a l y z i n gs t r e n g t hp e r f o r m a n c ew h e n h a v ep a r t i a lp r e s s u r ei nt h et h ep r o c e s so fl i r i n gm o n o p o l e i nt h eo nt h eb a s i so f s t u d y i n ga b r o a dl i f t i n ge q u i p m e n t s ，f o rd i f f e r e n td i a m e t e ra n dw e i g h tm o n o p o l e ， d e s i g n e du n i l a t e r a ll i f t i n ge q u i p m e n tf o rl i t t l e d i a m e t e ra n dl o ww e i g h t ，a n d l a t e r a ll i r i n ge q u i p m e n tf o rl a r g ed i a m e t e ra n dh e a v yw e i g h t d e s i g n e dt h em e c h a n i c a l s t r u c t u r eo ft h eu n i l a t e r a la n db i l a t e r a l l i f t i n g 。e q u i p m e n t ，u n i l a t e r a le q u i p m e n td e s i g ni n c l u d er a c k ，c a mc l a m p i n gc o m p o n e n t p a r t sa n dt e l e s c o p i c p o l e ，b i l a t e r a le q u i p m e n td e s i g ni n c l u d eh a n g i n gb e a m s ， b i g - b o o mc r a n ea s s e m b l ya n dl i t t l e e n d i a na s s e m b l y , c a l c u l a t e dc l a m p i n gf o r c e w h e nt h eu n i l a t e r a la n db i l a t e r a le q u i p m e n tc l a m p i n g a n a l y s i st h eo v e r a l l i n t e n s i t yo ft h eu n i l a t e r a la n db i l a t e r a le q u i p m e n ta n dt h em a i nc o m p o n e n t s s t r e n g t ha n ds t i f f n e s su s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，a sw e l la st h ec o n t a c t ， t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i n t e n s i t ya n a l y s i so fc l a m p i n gc o n t a c tt o o t h d e s i g nt h eh y d r a u l i es y n e h r o n o u s c o n t r o lb a s e do nt h ee l e e t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o nt h r o t t l ev a l v e b u i l d u pm a t h e m a t i e sm o d e lo fe l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o nt 1 1 r o t t l ev a l v e a n da r er e g u l a t e db yt h ew a yp i dc o n t r o l l e r t h et h e s i sh a sf i n i s h e dp r o c e s s i n gt h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e ，e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a t ：t h ed e v e l o p e dp r o t o t y p ec a l lb ea c h i e v e ds p r e a d e rp i p el i f t i n go f t h ew h o l ep r o c e s s t h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p es p r e a d e rp e r f o r m a n c et ot h ea c t u a l p r o j e c tp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sf o rt h ef o l l o w - u pe n g i n e e r i n gd e s i g np r o v i d e sa r e l i a b l et e c h n i c a ld e s i g n k e yw o r d s ：m o n o p o l ef o u d a t i o n ；l i f t i n ge q u i p m e n t ；s t r u c t u r ed e s i g n ；h y d r a u l i c s y s t e md e s i g n ；e x p e r i m e n t a lt y p e ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 目录 第1 章绪论1 1 1 课题来源及意义l 1 2 风力发电机组基础结构国内外概况l 1 3 风力发电机组桩基基础起吊机具国内外发展概况一5 1 3 1 国外发展概况6 1 3 2 国内发展概况一1 l 1 4 本文的主要工作1 1 第2 章起吊机具总体方案的设计1 3 2 1 引言13 2 2 桩基基础强度的分析1 3 2 2 1 桩基基础的特点一13 2 2 2 桩基基础强度分析15 2 3 机具总体方案的设计1 7 2 3 1 单边机具总体方案的设计1 7 2 3 2 双边机具总体方案的设计2 0 2 4 机具夹紧力的计算方法2 3 2 5 本章小结2 4 第3 章起吊机具机械结构的设计2 6 3 1 引言一2 6 3 2 机具主要技术指标2 6 3 3 单边机具的结构设计2 6 3 3 1 单边机具的总体构成2 6 3 3 2 单边机具夹紧力的分析3 0 3 4 双边机具的结构设计3 3 3 4 1 双边机具的总体结构设计3 3 r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 4 2 双边机具夹紧力的分析3 4 3 5 本章小结4 0 第4 章起吊机具的强度分析4 1 4 1 引言4 1 4 2 单边机具关键零部件的强度校核4 1 4 2 1 凸轮组与机架连接轴直径的确立及有限元分析4 1 4 2 2 主吊钩与伸缩杆连接轴直径的确定及强度校核4 2 4 3 双边机具关键零部件的强度校核4 4 4 3 1 小端吊臂强度校核4 4 4 3 2 悬臂梁有限元模型4 7 4 4 接触齿的接触分析4 8 4 5 本章小结5l 第5 章起吊机具液压同步控制系统的设计5 2 、5 1 引言5 2 5 2 液压同步控制系统的设计5 2 5 2 1 液压系统开环同步控制技术5 2 5 2 2 液压系统闭环同步控制技术5 3 5 2 3 基于电液比例技术的液压同步系统设计5 4 5 3 同步控制系统建模与分析5 5 5 3 1 比例方向节流阀的数学模型5 6 5 3 2 非对称液压缸的数学模型5 7 5 3 3 同步控制系统的传递函数5 9 5 4 液压同步系统的校正与仿真6 1 5 4 1 液压同步系统的p i d 校正6 l 5 4 2 主缸回路的校正及仿真6 1 5 4 3 从回路系统的校正及仿真6 4 5 5 本章小结6 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第6 章起吊机具样机实验研究6 7 6 1 引言6 7 6 2 实验原理与实验目的6 7 6 3 单边机具实验研究6 8 6 3 1 主要技术参数6 8 6 3 2 单边机具的试验内容6 9 6 4 双边机具的实验研究7 3 6 4 1 双边机具主要技术参数7 4 6 4 2 双边机具的实验内容7 4 6 5 实验结论7 8 6 6 本章小结7 8 结论7 9 参考文献8 0 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 4 致谢8 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及意义 随着全球经济的发展，风能作为一种清洁的可再生能源迅速发展起来， 越来越受到世界各国的重视，中国地域广阔，风力资源丰富，发展前景广阔。 风能的开发不仅在陆地上具有一定的经济价值，而且海上风能也有相当大的 经济效益，海上风电场的风速高于陆地风电场的风速，虽然海上风电场的成 本比陆地风电场要高，但是海上能够更高效的利用风能发电。风力发电作 为一种绿色能源，无论在陆地还是在海上都有很好的发展前景口1 。 但是，发展海上风力发电也存在较大困难，在海上建立风力发电设备需 要巨大资金投入和复杂的技术支持p 1 。目前经过估算，海上风电场必须依靠 国家的财政扶持才能生存，如何行之有效的节约海上安装成本对海上风电的 进一步发展尤为重要p 1 。 目前我国陆上风电场因为土地资源紧张，发展接近饱和，海上大型风电 场还在建设中，还没有高效安全的安装方法以及与这些安装方法相结合的安 装船舶与作业机具。例如落地提升作业船、叶轮翻转机具、海上打桩用打桩 机、打桩用液压扶正装置与桩基基础起吊机具h 1 。目前风力发电机组基础结 构应用最广泛的方式是桩基基础。而我国对于风力发电机组桩基基础的起吊 作业机具匮乏，所以研究具有我国知识产权的风力发电机组桩基基础起吊机 具具有很重要的意义。本文的研究目的是研制拥有国内自主知识产权的风机 桩基基础起吊机具，填补了我国在这一领域的技术空白，为推动我国风力发 电提供技术支持。 1 2 风力发电机组基础结构国内外概况 目前风力发电主要包括陆上风力发电和海上风力发电，陆海单个的风电 机组包括叶片、风机、塔身和基础四个部分，风力发电机基础主要用于安装 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和支撑风力发电机组，平衡风力发电机组在正常运行过程中所产生的各种载 荷以保证机组安全平稳地运行，综合国内外的发展概况，陆上风力发电机组 基础主要有筏板基础和桩基基础两种，海上风电机组经常被讨论的基础形式 主要涵盖参考海洋平台的固定式基础，和处于概念阶段的漂浮式基础p 1 ，具体 包括单桩基础、重力式基础、吸力式基础、多桩基础、漂浮式基础。 陆上风机基础主要根据地基土层的成因及构造，物理力学性质进行风机 基础的设计；海上风机基础结构主要考虑承受水动力、空气动力的双重载荷 作用，来确定基础结构时应综合考虑风、浪、流的载荷特性，以及海底的地 址条件。陆上和不同水深基础形式如图1 1 所示。 ；，l a n d - b a s e d s h a l l o ww a t e rt r a r l s i t i 0 1 1 1 1 l ；d e p t h ，穆 刮。h 脾、 ，3 j 、 l 、 4 ：、 叠 ： i o - b 五一“_ 出赴：0 谢猫溺 蓬豳 湖 ! 1 日_ _ - - _ 一墨k i 髓舅e 目目日强 l 1 罗零慰瓢 一 _ _ j _ _ _ 一 黧缀麓缵鲡翮 一一 灞 避 哈尔滨工程大学硕士学位论文 适应水深，但会导致基础钢管的刚性及稳性降低，此种方式受海底地质条件 和水深约束较大，需要防止海流对海床的冲刷，不适合于2 5 m 以上的海域茚1 。 图1 2 单桩基础不惹图 ( 2 ) 重力式基础 重力式基础因混凝土沉箱基础结构体积大，如图1 3 所示。可靠重力使 风机保持垂直，其结构简单，造价低且不受海床影响，稳定性好。缺点是需 要进行海底准备，受冲刷影响大，且仅适用于浅水区域。基础的重力可以通 过往基础内部填充钢筋、沙子、水泥和岩石等来获得。与单桩式基础相比， 重力式基础依靠自身的重力能提供足够的刚性，有效避免基础底部与顶部的 张力载荷，并且能够在任何海况下保持整个基础稳定。但重力式基础只是依 靠自身的重力保持位置和系统的稳定，所以特别需要考虑所安放的海床情况。 重力式基础不适合流沙形的海底情况，但对于海底岩石较多的情况，它则能 适合。另外，由于重力式基础一般重达1 0 0 0 t 以上，其海上运输和安装等均 不方便，因而成本相对较高。 ( 3 ) 吸力式基础 吸力式基础分为单柱及多柱吸力式沉箱基础。如图1 4 所示。吸力式基 础通过施工手段将钢裙沉箱中的水抽出形成吸力。相比前面介绍的单桩基础， 该基础因利用负压方法进行，可大大节省钢材用量和海上施工时间，具有较 良好的应用前景，但目前仅丹麦有成功的安装经验，其可行性尚处于研究阶 哈尔滨工程大学硕士学位论文 段。 图1 - 3 重力式基础示意图 ( 4 ) 多桩基础 多桩式是在底部有三个或者四个钢管支撑所需要的强度，利用小直径的 基桩，打入地基土内，桩基可以打成倾斜，用以抵抗波浪、水流力，中间以 填塞或者成型方式连接。如图1 5 所示。适用于较深的水域。该设计还没有 得到真正的商业应用，仅存在于部分试验机组。 i ! j ； 1 铅i s s o n l 一1l ，。 l 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 前面介绍的几种基础只使用与近海海域，无法向着更深的水域发展，而伴 随着海上平台技术的发展，浮式基础概念的提出为海上风力发电朝着深海区 域发展提供了可能。它的优点有可安装于风资源更为丰富的深海海域 ( 5 0 - 2 0 0 m ) 、设计概念更为广泛、建设及安装方法灵活、可移动、易拆除， 常见的s p a r 式、张力腿式和浮箱式p 1 。如图1 6 所示。 图1 6 漂浮式基础 综合上述几种风机基础，不论是陆上风机基础还是海上风机基础，应用 最广泛的是桩基基础，桩基基础是由钢制钢管组成，已经被广泛的应用于h o m s r e v 、k e n t i s h 、a r k l o w 、u t g r u n d e n 等风电场。桩基基础特别适合于浅水 及中等水深水域，目前最大的直径5 米，但直径6 8 米单桩基础有很大的发 展前景罔。 1 3 风力发电机组桩基基础起吊机具国内外发展概况 桩基基础一般是由钢制圆管组成，为了简便统称钢管，直径在3 m - 5 m ， 重量在1 0 0 t - 5 0 0 t 不等，并且厚度在3 0 m m 7 0 m m 范围内，对于这种大型的 桩基基础起吊机具应该用专用的吊具，目前国内吊桩机具在此领域尚是空白， 国外的技术比较成熟，国外在该领域处于垄断地位，所以在我国研制此类专 业机具具有很大的意义。 钰 跫浮念， 拓秘甏域凡磷筠矮 。 簿电式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 1 3 1 国外发展概况 目前国外拥有海上发电厂的国家主要有：丹麦、德国、英国、比利时、 荷兰等。这些发电厂很多采用的是荷兰i h ch a n d i n gs y s t e m sv o f 公司的机 具。i h c 公司的机具已经发展的非常成熟，技术在国外领先，桩基基础起吊 机具也是这个公司提供的，所以我们的设计主要参考i h c 公司的产品。 l 、单边机具( u p e n d i n gt o o l s ) i h c 公司单边机具如图1 7 所示，该机具的特点是安全、高效、操作简 单，适用于超大型直径的钢管的起吊。目前很多海上风机发电吊装钢管采用 单边夹紧的方式，这种方式简单、安全归1 。 图1 7i h c 公司的单边机具 此机具的技术指标为： 钢管直径为2 0 0 0 m m 至5 0 0 0 m m ， 钢管壁厚为2 0 m m 至7 0 m m ， 钢管质量2 5 0 t 至2 9 0 t ， 液压夹紧放松。 单边机具的工作顺序如图1 8 如下：该机具分四步完成钢管的起吊，如 图1 8 a 所示先放置机具到钢管的一端，然后如图1 3 b 所示由主吊点把钢管从 水平开始翻转钢管到竖直状态，如图1 3 c 所示吊起钢管到安装地点，如图1 3 d 所示放下钢管，机具撤离。 6 r 参 p l a c i n go np i l e ( a ) 放置钢管机具 7 u p e n d i n g ( b ) 抬起钢管 l i f t l n al o a d e d l i f t i n gu n l o a d e d ( c ) 起吊钢管 、 ( d ) 松开钢管 图1 8 单边机具的工作顺序 如图1 9 所示单边机具在工作现场，此时机具已经插入到钢管内部。从 图中可以看出机具的主吊点的旋转中心与钢管的中心线是重合的，这样可以 保证在钢管竖直吊起的时候不倾斜q 。 图1 9 单边机具工作现场 如图1 1 0 所示，单边机具在工作现场及卸载钢管并脱离钢管。从图中可 以看出机具具有液压系统，并且在脱离钢管的时候主吊点回到初始位置1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 、双边机具 如图1 1 1 所示为i h c 公司生产的夹不带凸缘的钢管的双边夹到1 2 1 。 双边机具的技术指标： 钢管直径：4 0 0 0 m m 至5 5 0 0 m m ： 钢管壁厚：2 0 m m 至6 0 咖； 钢管质量：5 0 0 t ； 夹紧松开：液压方式。 图1 1 0 单边机具在工作现场及卸载钢管并脱离钢管 主吊点 油管 图1 1 1 夹不带凸缘的双边机具 从图1 1 l 中可以看出双边机具的吊点不起增力的作用，它的夹紧和放松 都是通过液压系统来实现的，并且因为它的作用接触面积大，所以可以吊起 更重的钢管，液压夹紧安全可靠。可吊装5 0 0 t 甚至更重的钢管。此机具可以 吊装不带凸缘的钢管，方便实用。夹不带凸缘的双边机具工作现场如图1 1 2 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所示。 图1 1 2 夹不带凸缘的双边机具工作现场 夹带凸缘钢管的双边机具如图1 1 3 所示。 这种双边机具结构相对简单，但是钢管必须是带凸缘的。应用受到定 的局限性m 1 。 钢管凸缘 图1 1 3 夹带凸缘钢管的双边机具 双边机具工作过程是：钢管在水平开始起吊，把双边机具和钢管的位置 找好，通过液压缸把楔块预紧，机构自动调整双边机具和钢管的位置，使机 具和钢管达到最佳的位置，以保证达到夹紧的面积最大，使工作执行达到最 佳效果。然后逐渐把钢管翻转成竖直状态，在翻转的过程中，双边机具会随 着角度的不断增大而使夹紧力逐渐增大，并且实现自锁。把钢管吊入海中安 装。安装完成后，液压缸解锁，分开双边机具和钢管，最后回收双边机具。 3 、内胀式吊桩器( i n t e r n a ll i f t i n gt 0 0 1 ) 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i 酋i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 一一一一i i l i 内胀式吊桩器( i l t ) 的应用很广泛，它适用钢管的直径从4 0 0 r a m 到 2 5 5 0 m m ，最大重量在竖直状态下可达1 2 0 0 吨。它不仅可以竖直吊起，还可 以水平吊起钢管，不仅可以在海上工作，还可以在海下及陆地工作，内涨式 吊装器外型如图1 1 4 所示q 。 图1 1 4 左侧图是用于海上作业的i l t ，右侧图是用于海下作业的i l t ， 最深海下5 0 0 米。 图1 1 4 i h c 公司的内涨式吊装器 i l t 的内部机构分析图如图1 1 5 所荆1 5 1 ，该系统采用液压控制，液压系 统驱动心轴运到，因为心轴是锥形的，与楔块连接，所以心轴运动促使吊桩 器的多个共同伸缩的楔块向外运动，i l t 在钢管内部胀紧从而吊桩，楔块材 料的强度对整个结构具有重要的作用，竖直吊起钢管时通过单向阀实现机构 自锁。 该机具具有简单，坚固，耐用，易于操作的特点，并且此机具采用最简 单的反形楔块设计，反形楔块可以把轴向力( 来自于主动油缸和钢管重力) 转换成径向夹持力，中间没有易损害的机械件、杠杆或者易于失败的装置”6 1 。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 心 夹 保 液 图1 1 5i l t 部分割视图 1 3 2 国内发展概况 国内对于这种偏大型桩基基础起吊机具尚是空白，国内的类似的起吊机 具难以实现这种起吊作业n7 1 。例如国内的起重钳、吊钩，只适用于小型钢管 的起吊，又因为钢管形状的特殊性和安装位置必须是竖直落下钢管。放置到 要打桩的位置，不能简单的用绳和起重机去完成，所以研究这种风力发电机 组桩基基础起吊机具有很重要的意义。 1 4 本文的主要工作 本文介绍了国内外风力发电机组的几种基本基础结构，以桩基础为研究 对象阐述了国内外风机桩基基础起吊机具的发展概况，根据桩基基础吊装作 业的要求，分析了桩基起吊过程中局部受压时强度性能。在研究国外起吊机 具的基础上，针对桩基直径和重量的不同，设计了起吊机具的两种总体方案， 对于小直径、重量轻的桩基基础，采用单边机具：对于大直径、重量重的桩 基基础，采用双边机具。 本论文主要研究内容包括以下几个方面： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l 、本文介绍了国内外风力发电机组的几种基本基础结构，以桩基础为研 究对象阐述了国内外风机桩基基础起吊机具的发展概况。 2 、根据桩基基础吊装作业的要求，分析桩基起吊过程中局部受压时强度 性能。在研究国外起吊机具的基础上，针对桩基直径和重量的不同，设计起 吊机具的两种总体方案，对于小直径、重量轻的桩基基础，设计单边机具； 对于大直径、重量重的桩基基础，设计双边机具。 3 、设计单边机具和双边机具的机械结构，单边机具设计机架、凸轮夹紧 部件和伸缩杆组件，双边机具设计吊梁、大端吊臂总成和小端吊臂总成，分 析单边机具和双边机具夹紧时的夹紧力。 4 、对单边机具和双边机具的整体强度进行分析，利用有限元分析软件关 键零部件进行基于强度和刚度的有限元分析，以及夹紧零件表面接触齿的接 触强度分析。 5 、对桩基基础起吊机具液压同步控制系统进行了设计，通过分析采用基 于电液比例方向节流阀技术的同步控制，完成了同步控制系统的建模，并且 通过p i d 进行主缸回路和从回路的校正及仿真。 6 、完成实验样机试验，记录所研制的起吊机具的实验样机能否完成桩基 起吊的整个过程，机具样机的实验性能是否达到所需要的性能指标。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章起吊机具总体方案的设计 2 1 引言 在第一章中已经对风力发电机组桩基基础做了详细分析，桩基基础结构 是一个直径4 - - 6 m 、重量2 0 0 t 5 0 0 t 、厚度3 0 m m 7 0 m m 的钢管，这种专用的 钢管经过了特殊处理，要符合风力发电机组支撑所需要的刚度和强度的要求， 这种钢管在起吊过程中是一端受力，属于局部受力，起吊机具与钢管属于局 部接触夹紧，所以分析钢管在受到这种大的局部压力的时候是否会造成塑性 变形或者较大的磨损，对于桩基基础后续的工作具有很重要的意义嗍。 根据桩基基础的特点，以及桩基基础直径、重量的不同，结合各种夹紧 方式的优缺点，设计两种起吊机具，一种为单边机具，起吊相对小直径、重 量轻的桩基基础，桩基基础端部：- - 仞j 受力；一种为双边机具，起吊相对大直 径、重量重的桩基基础，桩基基础端部两侧受力，接触面积大。后续章节详 细介绍。 2 2 桩基基础强度的分析 2 2 1 桩基基础的特点 桩基基础是钢制的圆管即钢管，具有重量重、管径大、壁厚薄、长度长 的特点，等待吊装的桩基基础如图2 1 所示。在未被使用的时候是水平放置 的。在风力发电现场上要立起这些又长又重的钢管，用普通的机具是难以实 现的，所以需要专用机具，即能安全的把钢管从水平扶正到竖直状态，还要 安全的竖直吊起到安装位置，并且能够在高空实现自动卸载。 这种钢管是由钢板焊接而成的，结构比较简单，在钢管起吊时受到机具 的局部压力作用，所以主要看钢管在屈服强度内是否能够承受这样的压力， 钢管局部是否会造成塑性变形。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 待吊装的桩基基础 屈服强度表示钢材的弹性变形，在这个范围内，钢材没有受到破坏，不 是永久性变形。而屈服强度以上，钢材产生了塑性变形，强度降低，产生永 久性变形，直至破坏，所以不能在这个范围内进行材料强度计算，就是在屈 服强度以内，也得考虑一定的安全系数。屈服强度是有明显的屈服现象的 情况下才能够得到。而对于许多材料，如高碳钢、合金钢，因为塑性较低， 不会有明显的屈服现象，所以是得不到的，而又需要得到这样一个强度指 标，所以就规定了一个印2 来进行衡量。有些钢材( 如高碳钢) 无明显的屈服现 象，通常以发生微量的塑性变形( o 2 ) 时的应力作为该钢材的屈服强度，称 为条件屈服强度”9 1 。 桩基基础的钢管主要起支撑作用，对于轴向性能要求比较严格，我们在 设计钢管机具的时候考虑的并不是钢管的轴向力，而是钢管径向压力，只需 要考虑屈服强度就足够了，按照普通钢管的屈服强度来校核钢管是否破坏就 行，普通钢管的屈服强度在2 0 0 m p a 以上。如表2 1 是几种常用钢的主要力 学性能怛。 表2 1 几种常用钢的主要力学性能 材料名称6 s ( m p a ) 1 5 b ( m p a ) 6 2 1 6 2 3 53 7 3 4 6 12 5 - 2 7 普通碳素钢 2 5 5 2 7 5 4 9 0 6 0 8 1 9 2 1 3 3 3 5 6 9 1 9 优质碳素结构钢 3 5 35 9 8 1 6 2 7 4 3 4 34 7 1 5 1 0 1 9 2 1 普通低合金结构钢 3 3 3 - - 4 1 24 9 0 - - - 5 4 91 7 1 9 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 3 98 3 41 0 合金结构钢 7 8 59 8 19 碳素铸钢 2 7 54 9 01 6 对于桩基基础的钢管端部局部受力，我们通过先理论分析发生塑性变形 的最大压力，然后利用有限元软件进行强度分析，比较分析实际受压情况口”。 我们所研究的钢管壁厚6 = 7 0 m m ，中面半径r = 2 4 6 5 m m ，故满足薄壳结 构条件。钢管结构强度及力学分析主要是压力作用下钢管耐压的强度1 。 2 2 2 桩基基础强度分析 假设夹紧部分的力均匀作用在钢管内壁接触部分，按照研究圆筒壳的一 段长度上受到均布压力作用时的稳定性1 。夹具在钢管内壁沿周向两个对称 的位置施加夹紧力，钢管受力如图2 2 所示。 鱼 b 图2 2 钢管受力简图 钢管在夹紧机构接触齿的作用下有发生破坏的可能性，钢管材料屈服强 度盯。= 3 6 5 m p a ，抗拉强度为o - b = 4 9 0 - - 6 2 0 m p a ，取安全系数n = 2 1 。 依据薄壁结构理论，径向力在纵向边长为a ，和环向边长为b 的大矩形分 布，如图2 1 所示。且当a ：4 b 4 a 时，应力状态实际上是由弯矩尬和乃 来决定的口3 1 。径向力在加载面的中心引起的最大正应力如式( 2 1 ) ： 咿乞怯等i ( 2 - ) 式中：尸：z 一大矩形面积上均匀分布的压力，n ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 互力的无量纲值，正号对应于内表面各点，负号对应于外表面各 占 、 m ，力矩的无量纲值，正号对应于内表面各点，负号对应于外表 面各点。 将矩形面积上的受力折算为正方形面积上的受力，在确定m ，时，取正 方形边长c = 毛口；在确定兀时，c = t 口，其中a 为矩形面积中的较小边 长。为使结果偏于安全，此处取k l ：k ，= 1 1 。i 和瓦的值取i = 7 5 ， m 2 = o 1 2 。 由此得到： 呸。娟以1 0 1 2 l - 丽7 5 警l ：7 1 2 帅a 由以上分析可知，在局部载荷作用下，钢管最大可以承受的应力为 7 1 2 0 m p ，钢管在吊起的过程中可以承受的夹紧力最大为3 6 7 x 1 0 1 n 。 钢管在夹紧机构接触齿的作用下有发生破坏的可能性，钢管材料屈服强 度。= 3 6 5 m p a ，抗拉强度为o - b = 4 9 0 6 2 0 m p a ，取安全系数n = 2 1 。利用有限 元分析软件，对钢管局部受力进行有限元强度分析。有限元强度分析结果应 力如图2 3 所示，应变如图2 4 所示。从图中可以看出在加载实际受到的压力 时钢管局部的应力和应变，最大应力为8 m p a ，应变为o 0 0 2 7 m m 。桩基基础 强度满足受压要求，设计机具使钢管局部受压满足要求。 图2 3 钢管应力云图图2 4 钢管应变云图 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 机具总体方案的设计 目前夹紧机构主要有斜楔夹紧机构、圆偏心夹紧机构、螺旋夹紧机构、 铰链夹紧机构等。还有一种新的夹紧机构渐开线凸轮夹紧机构，它相对 于圆偏心夹紧机构具有更大的夹紧力和夹紧行程，具有更好的自锁性能旺”。 针对桩基基础直径、重量的不同，我们设计了两种起吊机具，两种起吊 机具采用不同的夹紧方式，单边机具设计的夹紧方式为渐开线凸轮夹紧，作 用于钢管一侧；双边机具设计的夹紧方式为楔块夹紧方式，作用于钢管的两 侧。 2 3 1 单边机具总体方案的设计 单边机具是相对于小直径、重力轻的桩基基础设计的，核心部分是夹紧 组件的设计，还包括机架、连接件的设计，总体方案设计示意图如图2 5 所 示。从总体方案示意图中可以看出，在机架的前后端设有两个扶正装置，在 夹紧钢管的时候，提供如图箭头所示的q 和q 两个压力，液压缸作用下的 液压缸凸轮及主吊