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海上风力发电机组轮毂吊具比较研究

海上风力发电机组安装叶片时,一般采用三种安装方式。第一种是先将轮毂安装到高空中的发电机上,然后采用单叶片吊装的方式;第二种是在甲板上把轮毂和一支叶片组对好,然后将其安装到高空中的发电机上,剩余两支叶片采用斜插30?的方式安装;第三种是在甲板上把轮毂和三支叶片组对好,采用吊叶轮的方式进行安装。这三种方式都要用到轮毂吊具,目前行业上使用轮毂吊具非常广泛,其结构形式也很多,但其基本的结构形式主要有4种。本文的意义在于对目前主流的轮毂吊具进行比较,分析其优缺点,以供未来选择轮毂吊具时提供参考。

1.3 双凸台(一端铰接,一端固定)
此种吊具主要由下面7部分组成,见图5。对应轮毂凸台的结构形式,见图4。

 
图5双凸台(一端铰接,一端固定)吊具结构形式

从图5可见,双凸台(一端铰接,一端固定)轮毂吊具由连接板1、吊点2、前端横向连接板3、连接销轴4、连接螺栓5、后端垂向连接板6、后端横向连接板7组成。其中1与3,6与7的连接方式为焊接;1与6通过销轴进行连接;横向连接板与轮毂凸台通过螺栓进行连接。

1.4 双凸台(两端铰接)

此种吊具主要由下面9部分组成,见图6。对应轮毂凸台的结构形式,见图4。


图6双凸台(两端铰接)吊具结构形式

从图6可见,双凸台(两端铰接)轮毂吊具主要由连接板1、吊点2、连接销轴3、连接肘板4、前端垂向连接板5、前端横向连接板6、连接螺栓7、后端垂向连接板8、后端横向连接板9组成。其中5与6,8与9的连接方式为焊接;1与4,4与5,1与8通过销轴进行连接;横向连接板与轮毂凸台通过螺栓进行连接。


2 轮毂吊具比较研究
根据以往经验,同样载荷作用情况下,连接面受剪力作用时螺栓载荷会比其受拉力时大,因此以剪力作用来分析连接面所受载荷情况,各种结构形式的轮毂吊具受剪时的力臂,见图7-10。



高强度螺栓在弯矩作用下所受拉力为:



其中M为所在面所受弯矩,y1为最远螺栓到中性轴的距离,yi为每个螺栓到中性轴的距离。

①单凸台吊具:从图7可以看出,此吊具结构简单,加工方便。吊具从螺栓受力分析角度来看,横向接触板与竖向接触板采用焊接的方式进行连接,导致外力传递的时候,横向接触板与轮毂凸台连接的螺栓相当于刚固,导致螺栓既受剪力的作用,同时也受弯矩的作用。通过螺栓计算公式可以看出,在同样弯矩的情况下,相对于双凸台吊具而言,单凸台吊具由于承受弯矩的能力较差,因而导致螺栓数量较多,进而对应的轮毂凸台面积较大,增加了凸台加工的成本。虽然吊具结构简单,成本较低,但凸台加工的成本更高。同样由于螺栓数量较双凸台多,安装及拆卸也没有双凸台方便。

②双凸台(两端固定)吊具:从图8可以看出,此吊具结构比①复杂,加工也没①方便。通过螺栓计算公式可以看出,相对于①而言,此种吊具的优点是螺栓数量较少,进而导致对应的轮毂凸台面积较小,减少了凸台加工的成本。虽然吊具的成本较①比起来较高,但凸台加工成本却有显著的降低。此种吊具的最大缺点就是安装有些困难,因为要保证吊具的横向连接板间的夹角与轮毂双凸台两面的夹角都一样。轮毂凸台的平面度,吊具连接板的平面度,轮毂和吊具螺栓孔的位置度等,如果制造的过程中稍微有点误差的话,都可能导致吊具无法安装,或者安装的情况达不到起吊的要求。如果这时起吊很可能造成螺栓损伤,进而导致螺栓未达到规定的使用次数就提前报废,增加吊装的成本。

③双凸台(一端铰接,一端固定)吊具:从图9可以看出,此种吊具的最大优点就是安装比①,②都方便,允许两面中的一个面夹角有少许偏差,同样能保证轮毂吊具的顺利安装。此种吊具从螺栓受力分析角度来看,与轮毂吊具②相比,前端螺栓则跟轮毂吊具②一样传递力和弯矩,后端由于销轴连接,导致后端的螺栓承受载荷作用时,弯矩作用没有②那么大,进而导致螺栓受力降低,增加螺栓重复使用次数。由于螺栓受力降低,导致螺栓传递给凸台的外力也降低,因而对于缩小轮毂尺寸,降低轮毂制造成本有很大好处,虽然吊具成本比②贵,但轮毂凸台成本比②低。

 

④双凸台(两端铰接)吊具:从图10可以看出,此种吊具的最大优点就是安装比①,②,③都方便,允许两个面夹角有少许偏差,同样能保证轮毂吊具的顺利安装。此种吊具从螺栓受力分析角度来看,与轮毂吊具③相比,前后端由于都是销轴连接,导致前后端的螺栓承受载荷作用时,弯矩作用没有③那么大,进而导致螺栓受力降低,增加螺栓重复使用次数。由于螺栓受力降低,导致螺栓传递给凸台的外力也降低,因而对于缩小轮毂尺寸,降低轮毂制造成本有巨大好处,虽然吊具成本比③贵,但轮毂凸台成本比③低。



发电机厂家建议:如果吊装机组的数量较少(n<10台),建议使用单凸台吊具,如果吊装数量较多(n>50台)建议使用双凸台(两端铰接)吊具。

3 结论 
       通过比较可以看到,每种吊具各有优缺点,实际上吊具结构形式的选择,制约的因素非常多,还应该考虑机组设备位置,轮毂空间,操作人员使用是否方便,以及轮毂自身强度是否满足要求,通孔及盲孔的密封性及对轮毂疲劳强度的影响等等。因此选择轮毂吊具是个系统工程,需要通盘考虑,即要使对轮毂的改动最小,同时也要使用起来方便,易安装,易拆卸,能够快速的提高机组的安装效率,达到节约成本的目的。

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