履带吊风电工况选择验算模型建立与电算化研究

履带吊风电工况选择验算模型建立与电算化研究

朱文超于洪柱宋首元

（山东电力建设第三工程有限公司山东青岛266100）

摘要：在制订吊装方案的过程中，通过研究吊车工况选择时的内在规律，推导出通用性公式，可以有效减轻计算强度，尤其是电子表格化后自动生成结果，提高了验算准确性，方便技术方案的快速形成和决策。本文以越南芳梅30MW风电项目吊车工况选择为例，研究履带吊风电工况选择过程中验算模型的建立方法、公式推导和将公式导入电子表格，达到正确计算、快速计算的目的，公式和电子表格做法具有通用性，可以为同类型项目借鉴。

关键词：风电吊车工况选择验算简化

1引言

风电作为重要的可再生资源项目，在国家“十三五”期间迎来了新的发展高峰，近年来，120m及以上的风切变高架塔设计方兴未艾，而适应高耸风电项目安装要求的重型履带吊风电工况也应运而生。作为安装业者，如何接力这一轮创新，对吊车工况有效选择，又好又快地进行工况验算，以满足风电安装需求是我们必须的研究课题，本文以越南芳梅30MW风电项目（单机2.2MW）吊车工况选择为例，研究工况验算模型的建立方法、公式推导和将公式电子表格化，达到正确计算、快速计算的目的。

2工程概况

越南芳梅一期30MW风电项目安装14台远景能源EN-121/2.2MW风电机组，总装机容量为30.8MW。机组机舱中心标高约123m，叶片直径为121m。其中吊装工程量主要包括：塔筒吊装、机舱吊装、轮毂吊装、叶轮吊装、电气柜安装等，其中塔筒总高121m,机舱重91t,机舱顶部安装标高125.26m。

根据既往项目的经验和吊车工况表，方案制订时初选XGC650超起风电臂工况，主臂132m，固定副臂12m,主副臂夹角15°，超起配重90t，作业半径24m。机舱在本安装工程中是最高、最重的吊装件，经验算，吊车负荷率满足要求，因此吊车工况选择验算以机舱吊装数据为基础，通过建模计算吊装高度余量和水平抗杆余量。

3模型建立与验算

3.1建模与验算公式推导

根据吊车的结构特点，建立三个模型和多个计算三角形，利用三角函数的正、余弦定理等公式，逐步推导出吊装高度余量和抗杆余量两个吊装关键要素的计算公式，以此验算工况选择的合用性。

1）模型Ⅰ

以吊车主臂（边b）、副臂（边c）以及主臂根铰中心点和副臂头部中心点的连线（边a）建立三角形，已知主臂、副臂中心线夹角β=15°。

2）模型Ⅱ

以履带吊主机模型为基础（履带吊主臂根部铰点距离回转中心线L1=2m,距离履带底部外边缘H1=2.85m）,以主臂根部铰点为圆心，以模型Ⅰ边a的长度为半径画弧；然后以回转中心线与履带底部外边缘的交点为起点，沿着水平方向画线段24m(作业半径24m)，再以线段的终点为起点，沿着竖直方向向圆弧方向做直线，与圆弧相交，最后连接该交点和主臂根部铰点，建立模型Ⅱ。

此模型是吊装主模型，显示了作业时吊车与吊装件（机舱）的水平和竖直方向上的相对位置。

在该模型上以主臂根铰与副臂头部铰点连线a、主臂根铰向右做直线与吊装物就位中心线相交的线段和吊装就位中心线为三边，构成三角形△4。

3）模型Ⅲ

如图二右侧模型Ⅲ所示。根据已知条件，通过建立三个三角形，求算吊装件（机舱左侧顶部外边缘）与臂杆高度方向上下边缘的垂直距离L（即吊装到就位高度时臂杆与吊装件在水平方向上的余量）。

3.2机舱吊装高度余量和抗杆余量验算

1）验算过程

①吊装高度计算

根据三角形余弦定理，求主臂根铰中心点和副臂头部中心点的连线（边a）长度。

a=√(〖132〗^2+〖12〗^2-2×132×12×cos?（180-15）)=143.624

边a和边b（主臂中心线）夹角γ

γ=arccos〖【（143.624〗^2+〖132〗^2-〖12〗^2）/(2×143.624×132)】=1.239

主臂根部与副臂头部连线与水平线夹角θ1=ARCCOS[(24-2)/143.624]=81.189。

主副臂组件按照作业半径扳起后的竖直高度(从主臂根部铰点到副臂头部铰点)H2=143.624×sin81.189=141.93。

则机舱吊装后在起吊高度方向的净距离H8=141.93+2.875-121-4.26-6.5-6=7.045m，吊装高度余量足够，计算通过。

②抗杆验算

主臂中心线与水平线的夹角θ=1.239+81.189=82.428

L2=(H4+H3-H1)/tanθ=(121+4.26-2.85)/tan82.428=16.269

L3=24-2-16.269=5.731

L6=3.02/2/sin82.428=1.523

L7=L3-L6-L4/2=5.731-1.523-4.26/2=2.078

则吊车臂杆与机舱水平净距L=2.078×sin82.428=2.0598m，抗杆余量足够，验算通过。

4计算数据电子表格化

将已知条件输入EXCEL电子表格，建立电子文档，将各已知数据按照推导出的公式建立联系，实现前台输入已知数据，后台自动运算，最终获得需求的结果，图三是建立的电算化模板，绿色标注为输入值，红色、黄色为输出值，计算结果与手工算法一致。手工计算、电算和绘图测量三者结果一致，互相印证。电子表格的建立过程为：

1）如图三，先建立初步表格

①输入主臂长度、副臂长度和主副臂夹角，导入公式，求第三边长度a和第三边与主臂中心线夹角度数γ；

②输入作业半径、主臂根铰与回转中心线水平距离、与履带下缘竖直距离三个已知值，导入公式，求主臂根铰与副臂头铰连线与水平线的夹角θ1、求24m作业半径时吊车主臂与水平线的夹角θ、主副臂扳起后的竖直高度H2。

③继续输入塔筒高度H3、机舱高度H4、吊具高度H5、吊钩及限位高度H7，求出高度余量H8

④继续输入主臂截面宽度L5、机舱在抗杆方向上的自身宽度L4，求出抗杆余量。

2）电子表格简化，形成通用性表格

3）隐藏过渡值，只保留需要输入的已知数据和最终计算数据，如图四。

①利用EXCEL表格的数据隐藏特性，将θ1、θ、H2等过渡值在后台隐藏，不在表格中显示，防止计算过程中改动，造成数据发生连锁错误。

②按照吊车数据和吊装数据两部分对数据分类，方便输入。

③再次与手工计算、图纸测量数据对比、印证，最终形成电算化表格。

整个电子表格与模型想结合，对符号位置做了标识，保证数值输入和输出一一对应。在今后在同类工程中只需要输入12个已知数据，可快速计算出吊装高度余量H8和抗杆余量L，可快速验证工况选择的合用性。

5小结

在制订吊装方案的过程中，通过研究吊车工况选择的内在规律和原理，推导出通用性公式，然后电子表格化后实现结果的自动生成。使用者可以根据公式自行建立电子表格，在今后的风机吊装等固定臂工况作业条件下应用。需要指出的是，在验算过程中，要注意区分两个角度，即在主臂根铰处主臂中心线与水平线的夹角θ，主臂根铰处水平线与主臂根铰、副臂头铰连线的夹角θ1，以及二者之间的关系，这是模型及公式正确与否的关键；在初次建立电子表格的过程中，应严格根据文中推导的公式，导入文件后台，形成正确的计算结果并得到验证后，才能隐藏过渡数据、形成仅有输出和输入值的简化结构。