风机叶片维修平台的结构设计研究

风机叶片维修平台的结构设计研究

钱进

（河南科技大学200000）

摘要：目的：通过对风机叶片维修平台组成的了解，进一步分析其结构设计，从建模角度采用工况计算优化相关数据，推进新型风机叶片为求平台的研制。方法：本次通过三维软件SolodWorks建模，采用ANSYS开展应力分析，与实际应力情况相对比，从而完善新型风机叶片维修平台的设计，优化其性能。结果：通过分析可知，此次设计的新型风机叶片维修平台Maxstress=90.3MPa，Deformationstress=11.3mm。故此次设计满足了安全系数的要求，具有较好的承力能力。结论：采用三吊点完善维修平台的钢丝绳连接，可提高平台的承重能力，增加安全系数。但在应用风机叶片维修平台的应用中，焊接点易出现变形，故应加固处理。

关键词：风机叶片；维修平台；结构设计

引言

风机叶片是风电机的组成部分，其性能影响着整个系统的性能。叶片由于作业在高空地区，其需要经历各种温度及雨雪的侵袭，导致风机与叶片易遭到损害。具不完全统计，环境因素对风机叶片的损害巨大，使其每天都有可能酿成事故。故此，对风机叶片开展维修是十分必要的。当前，场次啊哟经风机叶片维修平台完成风机叶片的维修工作，以保证风电机的正常运转。但是，常规使用的风电机叶片维修平台在使用过程中，出现了稳定性不强，安全系数不高，应力效果差等问题，并不能满足当前高空叶片维修的需要。故此需要对风机叶片维修平台的设计进行优化，以提高风机叶片维修平台的使用性能，促进其更好的为风机叶片的维修工作服务[1]。

1.风机叶片维修平台的结构组成

风能作为清洁环保的可再生资源，可利用风力发电机完成风能转化为电能[2]。叶片作为风力发电机的核心组成零件之一，对于能量的转化具有重要的作用。每年都要对风机叶片开展检查，以保证叶片的正常投产。但是风场条件较为恶劣，风机叶片长期处于空气之外，易出现故障。且风机结果复杂，导致对风机叶片维修困难。故设计了风机叶片维修平台，以提高风机叶片维修效率，保证能量转换的正常开展。风机叶片维修平台利用三维软件SolodWorks，开展平台建模。可利于表达设计思想，以便于更部件之间的连接。在风机叶片维修平台中，包含着吊篮、支架、提升机、安全锁、轮动轮和防撞轮等。可以分为两个部分，一个是上部支架，一个是下部吊篮。其通过轮动轮连接，可以实现上下运动。从而满足水平移动要求，完成风机叶片的维修[3]。具体构造，如图1所示。

图1风机叶片维修平台

2.风机叶片维修平台的结构设计

2.1变量设计

第一，风机叶片维修平台常采用两吊点设计完成工序[4]。但是两吊点设计平衡能力差，需要增加配重或借助其他设施来帮助完成平衡。但是，这种方式并不科学。起步筋增加了风机维修平台的重量，也使安装程序变的复杂化。故此，可改善两吊点设计方式，开展三吊点设计。采用三吊点设计风机叶片维修平台，可减少选调钢丝绳的受力情况，从而保证了维修平台的安全性能。采用三个吊点对风机叶片维修平台进行支撑，具有三角稳定性。故可保证维修平台的平衡和稳定，减少配重，降低平台的重量。再加上三点确定的平面，可避免平台在升降过程中出现扭转，更好的保护平台。第二，吊篮部分作为工作的重要组成部分，其起到称重和运送工作人员的作用。而上部支架作为下部吊篮的通道，可保证吊兰的水平移动。同时，其还能够通过提升机，完成吊点的定位。当前，常常将下部吊篮上面安装提升机，从而保证吊篮与懂得过程中提升机也随之变化。故此悬吊钢丝绳就会与竖直方向出现夹角，增加钢丝绳受力，是风机维修平台出现晃动。而采用吊篮和提升机分离的设计理念，可保证吊篮移动的过程中，提升机处于稳定状态。使悬挂钢丝绳处于竖直状态，增加了平台的稳定性。上部支架作为主要的受力机构，需要根据特定情况，结合结构性能进一步优化，以保证维修工作的开展[5]。

2.2算法应用

采用ANSYS模态分析理论，开展平台模型建设[6]。ANSYS提供的模态提取方法具有多样性，子空间发、分块法、缩减法、非对称发和QR阻尼法等等。在大多数算法中，常采用子空间法、分快法和缩减发完成计算。其有助于确定设计结果或机器部件的震动，及固有频率和振型。从而获取其能够承受的荷载，以便于舍弃其他参数。模态分析方法就是以整体模型的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标，为微分方程解耦，转变为多个相互独立的微分方程。模态分析的核心内容是确定描述结构系统动态特性的模态参数，而开展的算法。理论上说，如解出系统的各阶模态，即可运用线性组合的方法得到系统任意激励下的影响。采用ANSYS模态分析理论开展模态分析具有以下好处。第一，可了解结构的固有频率，从而避免共振现象的产生。也可利用振动特性保持稳定性，后以特定的频度开展震动。第二，可帮助设计者认识到结构对于激励荷载的影响，但荷载需要注重类型的多样化。第三，了解结构振动的频率特点，可辅助开展动力分析，以求得控制参数，做市场分析的参考[7]。

2.3结构设计流程

第一，简化平台支架。需根据支架的特点机器受力情况，将模型简化，从而避免问题的产生，使其更好的为风机叶片维修做铺垫。在平台支架设计过程中，支架前端的防撞轮的作用并不明显，其对于支架受力情况并不起到实质性效果，故可简化。而支架上的安全锁和提升机重点，需要附着在悬吊钢丝绳上完成操作。其对于支架受力情况也无明显影响，故可以简化。支架连接杆焊接处，可采用节点代替，简化其他装置的连接[8]。

第二，设定单元类型及材料属性。由于传统两点吊起方法稳固性并不好，故在建模过程需要采用三维元梁开展。再加上传统机器易变形，应力能力差，需要开展简化加固。简化后，采用Q236支架作为空间梁架构建维修平台，予以BEAM187梁建立有限元模型。所有支架连接材料均可选用Q236，辅助弹性建模。则模量E=2.3*106MP.柏松比µ=0.2.由于支架重力并不能够简化，故此，密度p=7.32*10-7kg/mm3。

2.4风机叶片维修平台的数学模型构建

根据需要，可将风机平台设定为5000mm，宽2700mm，高590mm。根据风机维修中的重量情况，选用架子。可采用65*65*4的方管，经焊接制成风机维修平台支架，具体情况详见图2。在对维修平台开展建模分析时，材料的属性可以是多种多样的。其可分为线性、非线性、恒温与变温。在开展建模时，需要针对弹性模量和密度进行设定，保证建模的可行性。ANSYS系统，可提供多种模态。但平台结构体积较大，所以联合三维软件SolodWorks开展建模。其可应用于模态分析，从而求解网格划分和结构体积的大小。听过三维软件SolodWorks和ANSYS系统建立的模型，其敏感部位为结构。改变模态振型，从而改变结构，就可活动较大的固有频率，以便于避开震动对风机叶片维修平台的影响[9]。

图2枫叶维修平台结构图

3.风机叶片维修平台的检验模型

3.1施加载荷及约束处理

支架重量：有上述可知相关密度，则设定重力加速度为G。此次所用的加载重力即施加惯性力，故使重力加速度反方向作用于实际受力。于建模时，采用-z表示重力方向，故重力加速度数值可设定为8[10]。

吊篮重量：可采用4个滑动轮连接支架，从而计算出滑动轮与支架之间的作用力，使其作用于支架上。将滑动轮作用力设定为F1、F2、F3、F4。则吊篮质量可采用works软件计算而至，数值为863kg。中心位置可沿X方向距离开口1937mm，可计算出F1、F2、F3、F4相关方程。①F1、F2、F3、F4之和为8630.②（F1+F2）*3500-8630*1937=2050N。

3.2工况计算

为了满足风机叶片维修平台称重的需要，吊篮移动距离需要设定在500mm之内。而根据设计需要，吊篮处于最左端时F2与M端相距应该在225mm左右，当吊篮处于最右边，则F2与M端相距应该在650mm左右。假设额定荷载量为150kg，则平台支架受理应该在以下四种条件下进行[11]。第一，如下吊篮处于左端极点作业，则额定荷载可如F2、F4表示。第二，如下吊篮处于最右端极点作业，其额定何在可如F2、F4表示。具体情况，可见图3所示。

图3吊篮示意图

3.3结果分析

以上即为新型风机叶片维修平台的受力分析，而其受力可分为始终工况。其在工况一条件下，最大应力为49.73MPa，变形为6.91mm，最大应力为之处于吊点C附近的焊接处。而在工况二条件下，最大应力为39.71MPa，变形为4.71mm，最大应力位置为吊点A附近焊接处。工况三条件下的最大应力为69.13MPa，变形为11.99mm，最大应力位置为吊点C附近的焊接处。工况四条件下最大应力为47.33MPa，变形为6.17mm，最大应力位置在吊点C附近焊接处。由以上信息可知，当处于三四工况下，下部吊篮处于最右端作业。而无论额定荷载加载于何处，其最大应力都需要大于左端极点所承受的应力。简而言之，当下吊篮处于水平移动时，其严重影响支架整体受力。而吊篮位置越向右偏移其受力越大，最大应力为90.3MPa。支架选材为Q236其最大屈度为236MPa，故此需要设计安全系数高于2。经此次实验数据验算，平台最大应力为123.7MPa，故强度可满足风机叶片维修平台的需要[12]。

由上诉四种工况情况可知，当下吊篮位置不变其最大受力需要大于F2。当维修叶片过程中，当吊篮向上移动过程中其对支架的受力影响也较大。点荷载靠近F3、F4时，支架受力则增加。在工况三之下，支架所能承受最大变形。其数值为13.3mm，支架长度5800mm。故求得最大变形数值为18mm。因平台最大变形数值小于平台变形数值，可满足设计所需。在四种工况之下最大应力位置均表现为吊点附近的焊接处，因此需要开展优化设计。针对其焊接点的优化设计需要从两个方面开展。第一，需根据焊接点及截面的尺寸进行改进。针对零件边角要处理得当，使其满足焊接需要。第二，保证焊接质量，提高对焊接缝的处理。当焊接时应采用自动焊接工艺，尽量避免因焊接工艺处理不当导致的结构变形。还要加强对结构的改进和加固，确保维修平台最大焊接处的强度，防止断裂问题的出现。

结语

综上所述，本次风机叶片维修平台相对于传统风机叶片维修平台，增加了稳固性，提高了安全系数。且通过优化，将风机叶片维修平台最大应力提高到90.3MPa，满足了强度的需求。从而推动了风机叶片维修平台的完善，解决了当前风机叶片维修平台性能差的问题。但需要在后续工作中，优化加固安全锁附近的焊接点，以满足维修风机叶片的需要。

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作者简介：

钱进：1979.09，男，汉族，湖北省浠水县人，河南科技大学，本科学历，机械制造工艺与设备专业，从事风电行业十余年，参与研发公司风塔内助爬器，升降梯等产品设计工作。