风力发电机塔筒内部升降机降低结构自重问题研究

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风能是-种清洁的可再生能源，前人通过风车来抽水、磨面等，其蕴量巨大，风力发电前景广阔，我国的西北地区和沿海地区，已建成了200多万座风力发电塔机，总装机容量达500万 kW 12 I-E'。其投入使用后的设备检修、维护和保养工作量大面广。

1 课题提出风电塔筒内部升降机由导轨、升降机构和工作平台等部分组成，用于风力发电机塔筒内部的设备安装调试、检修维护和日常保养工作 。导轨呈立柱状，支承在风力发电机的塔筒内部基础上，矩形空心截面，由4O～6O根标准长度(-般为 1.5～2m)的杆节组成，并在每个标准杆节的-侧布置波纹板作为升降机构的齿条。升降机构由电机、齿轮等组成，上部与工作平台相连。工作平台由底板、扶手等组成，可供1人背工具包站立作业，设计负荷 1.0kN。

整机除机电信号设备外，均由碳钢 Q235B制成。目前，甘肃建投装备制造有限公司生产的格赛克”牌风电塔筒内部升降机是服务于我国风力发电行业的主导机型，如图 1所示。

图 1 格赛克”牌风电塔简内部升降机构造1.导轨，2.波纹板齿条，3.升降机构，4.工作平台。

在满足使用功能要求的前提下，升降机构中的 过加大截面尺寸来实现安全保障，但必然会增加结电机功率配备只需满足工作平台设计负荷要求即 构自重，而结构自重的增加又会反过来影响导轨的可，工作平台可以采用镂空形式以降低自重，这两部 受压稳定性，所以-般只能通过加强导轨与风力发分的结构自重-般通过选用轻质材料、配备最佳机 电机塔筒内壁的横向联系的构造措施来加以保证。

型来无限逼近最小值。然而，导轨的总长度与风力 甘肃建院交通工程系的老师们通过建立力学模型，发电机的高度有关，大多达到 100m左右，初装过程 用计算机进行科学计算，得出的结论是：对于风电塔中由标准杆节逐节加高，在塔筒内部安装施工十分 筒内部升降机导轨这种长细比>20的金属构件，通困难。因此，在整机设计制造中，减轻结构自重关系 过加大截面尺寸来保证导轨受压稳定性的方法不仅到拼装完成后导轨的受压稳定和安装施工作业可行 不经济，而且在初装过程中需要配备大功率引升电性，是-项关键技术难点。为此，甘肃建筑职业技术 机，实际上无法实现。因此，选用风电塔筒内部升降学院与甘肃建投装备制造有限公司于2012年下半 机导轨的轻质合金材料，降低导轨部分结构白重，成年成立了专题攻关组，开展了校企协作的联合科研 了主要研究方向。

攻关。 在确立了研究方向的情况下，课题组经过集体会对于这类金属杆件的力学问题，理论上可以通 商，确立了生产制造环节和结构设计环节两个不同的38 甘 肃 科 技 第 29卷研究领域，殊途同归，都取得了较好的研究成果。

2 生产制造环节的研究甘肃建投装备制造有限公司技术中心的工程技术人员根据常用金属材料的比重对比，提出铝合金比重约为钢铁的，相同重量下的价位约为3：1，铝合金的力学性能可以达到铁质材料的要求，用铝合金替代碳钢材料可以在保持商品生产成本基本不变的条件下有效降低结构重量，这是-条比较可行的思路。但是，作为升降机构齿条的波纹板，考虑到使用过程中的抗磨耗性要求，应尽量选用本公司专利产品，也就是用 Q235B碳钢的波纹板齿条。如何才能将铝合金导轨与 Q235B碳钢齿条状波纹板可靠联结呢2.1 焊接连接影响可以忽略不计，这是它的显著优点。它的缺点是导轨为铝合金，热熔点约660℃；波纹板齿条为铁质，熔点约 1538℃，两者相差超过-倍。在焊接的过程中，厚度4mm的铁质波纹板开始热熔的时候，壁厚5-6ram的铝合金空心导轨已经熔穿，利用普通的焊接设备和方法根本无法实现。需要采用搅拌摩擦焊代替熔化焊焊接异种材料 J×拌摩擦焊焊机的单价超过5O万元，而且根据批量生产要求至少需要配备4-5台。焊缝质量也难控制，焊接缺陷主要有孔洞、裂纹、飞边和沟槽 4种。焊接缺陷的产生是由于在搅拌摩擦焊接过程中焊缝金属经历了不同的热机过程所致，过热或者塑性材料流动不足都会导致焊接缺陷的形成 - j。

为了增加铝合金与Q235B碳钢的可焊性，铝合金应当选用 5083-H1 12型材，其物理性能和力学焊接连接生产速度快，焊材重量对结构增重的 性能见表1。

表1 5083-HI12物理性能进-步研究认为，为了利用普通焊接设备和方法将 Q235B碳钢波纹板齿条和铝合金导轨可靠焊接，可以在导轨截面的长边-侧表面涂粘上厚度不小于 1mm的 Q235涂层，这在技术上是成熟的 J。

2.2 螺栓连接尽管导轨是铝合金材料，波纹板是铁质材料，但两者都是金属材料，具有良好的力学性能，因此可以通过在波纹板的凹点处打孔，同时在导轨的对应位置打孔，通过金属螺栓将两者相连。螺栓连接质量容易保证，并且可以采用高强螺栓连接，这是它的优点，其缺点是螺栓孔削弱了导轨截面，影响导轨受压稳定，势必增加导轨的壁厚，螺栓松动对结构的整体性影响很大，同时螺栓连接零件对结构增重的影响较大 。

2.3 铆钉连接铆钉连接生产工艺-般为钻孔 锪孔.去毛刺-插入铆钉 顶模顶住铆钉 旋铆机铆成形(或手工墩紧-墩粗-铆成-罩形)，与螺栓连接方法在力学效果上相仿，但可以轻度减小连接构件对结构增重的影响，略微优于螺栓连接。

2.4 研究结论根据风电塔筒内部升降机的构造和使用功能要求，认为在不同的连接方式中，应当优先选用焊接方法，螺栓连接和铆钉连接两种方法可以不予考虑，但需要生产企业短期内大幅度增加设备投人，或者与具有生产能力的企业合作，由其他企业提供导轨的标准杆节。

2.5 开发方案根据市场分析，导轨的标准杆节用量巨大。按每座风力发电机塔筒内部永久配置-台升降机的使用要求，平均按-台升降机由45个标准杆节组成，风力发电塔机的设备检修、维护和保养需要上亿个同样的标准杆节，将 Q235B碳钢波纹板齿条与铝合金导轨整体铸造，可以克服焊接、栓接和铆接带来的质量隐患，减少生产制造工艺环节，加工成型速度快，工装成本平均分摊到每-个标准杆节上可以忽略不计。

3 结构设计环节的研究甘肃建筑职业技术学院的老师们在认真研究了格赛克”牌风电塔筒内部升降机的结构构造后提出，第6期 邱琴忠等：风力发电机塔筒内部升降机降低结构自重问题研究 39可以通过优化结构形式来达到降低导轨自重的要求。

3.1 改变导轨的构造形式直接将导轨的-个侧面压制成波纹状，为风力发电机塔筒内部升降机的升降机构中的齿轮提供齿条，将附着在导轨上的 Q235B碳钢波纹板齿条去掉，从而有效地降低整机的重量▲-步研究提出，齿条应当做在导轨截面的长边-侧，由于导轨截面的长边尺寸大于3倍所需齿条宽度，因此可以将长边分为三个带条，两侧带条为平板，只需中间做成波纹形，三个带条之间为相同金属材料之间的互相焊接连接，用普通的焊接设备和方法容易保证焊接质量 ，制造成型的速度快。但是，将导轨截面长边-侧分成三个带条后，结构的整体性降低，存在焊接质量隐患，因此，最佳方案是工程机械生产厂商与冶金企业合作，由冶金企业采用 Q235B碳钢波纹板齿条专利技术生产整体铸造的导轨部分。

导轨的材料是普通的常用金属，可以是铝材，也可以是钢材，截面尺寸由力学计算确定，两者经过结构自重、制造成本和制作难易程度等因素综合比较后确定。通过力学计算和综合其他各方面因素分析，特别是对使用功能要求的满足程度分析，结论是铝合金优于钢铁材料，最终确定铝合金作为导轨的使用材料。

3.2 采用组合式结构形式将不同金属材料制成的构件，通过可靠的方式连接为-个整体标准杆节，从而达到降低结构自重的目的。具体做法是：1)制作厚度为 1mm，长度为标准杆节长度，板面分布有规则镂孔(圆孑L孔径 lo，中心间距 5mm)的Q235B铁板。

2)按计算厚度要求，制作标准杆节截面长边宽度尺寸的铝合金板。

3)将 Q235B铁板碾压进人硬度较小的铝合金板内。压制的过程中，铝合金材料可以电磁加热升温软化，以降低其表面硬度；铁板可保持常温状态。

4)按计算结果对导轨截面宽度、长度两维尺寸的要求，制作槽形铝合金标准杆节，其中开口的-面与前三步成型的构件尺寸吻合。

5)按升降机构齿轮的尺寸制作与之匹配的Q235B碳钢波纹板齿条。

7)将第4项制作完成的槽形标准杆节与第6项制作完成的构件焊成整体。

上述过程中，避免了不同金属材料之间熔点不同给焊接过程带来的质量安全隐患，同时降低了结构自重，并且用普通的焊接设备和方法可以满足使用功能要求。

3.3 研究结论直接改变导轨的构造形式，结构构造简单，加工制作容易；采用组合式结构形式，可以直接选用Q235B碳钢波纹板齿条这项技术成熟的专利产品。

两者相比较，前者生产流程较小，制作质量容易保证，但采用铝合金材料作为齿条在齿条的抗磨耗方面远不如专利产品。需要在其表面镀上-层硬铬来增加其耐磨性H引。研究认为，采用组合式结构方案优于改变导轨构造形式方案，推荐采用组合式结构方案。

3.4 开发方案研究开发风电塔筒内部升降机导轨部分生产所需的新工装，其主体部分由加温设备、碾压机械和成型模具等部分组成。导轨采用轻质铝合金材料，波纹板齿条采用 Q235B碳钢专利产品，并在其侧面焊接连接厚度为 1 mm、板面分布有规则布孔的 Q235B铁板，最终利用新工装将导轨和波纹板齿条压制成整体。

4 两个不同研究领域的研究成果比较分析根据对生产环节的研究，由于风电塔筒内部升降机导轨部分的标准杆节数量巨大，可以采用铝合金导轨与Q235B碳钢波纹板齿条合铸成-个整体，从而克服不同金属构件连接上的技术难点；而对结构设计环节的研究表明，利用铝合金材料与钢铁材料的硬度不同的特点，可以通过挤压磨具将铝合金导轨与Q235B波纹板齿条挤压成为-个整体 。

两者的共同点是都可以达到在保证结构使用要求的前提下减轻结构自重；而不同点有3个方面：1)生产条件不同。不同金属材料的合铸需要在冶金生产线上完成，-般工程机械企业无法实现，但可以与冶金企业合作；硬度差异较大的金属通过挤压成为整体需要结构成型工装，在-般的工程机械生产企业即可完成。

2)质量安全指标保障能力不同。不同金属材料的合铸和挤压成型在实质上也是两种不同连接方式，前者整体性更好，后者整体性稍差，从质量安全性能角度考虑，合铸优于挤压。但是，无论哪种方甘 肃 科 技 第29卷法，在使用过程中-旦出现两种金属材料分离，目前还没有找到切实可行的补救措施，都需要自上而下拆除上面各段标准杆节，将有拨的节段替换下来。

3)单位产品的制造成本不同。由于生产条件和制造流程不同，单位产品的制造成本肯定不-样，可以肯定的是：小批量生产时，挤压方法生产出来的导轨标准杆节成本相对较低 ，而实行企业之间强强联合大批量生产时，合铸方法生产出来的导轨标准杆节的单位成本会大幅度低于挤压方法生产出来的导轨标准杆节的单位成本。

5 结束语通过甘肃建筑职业技术学院与甘肃建投装备制造有限公司校企合作联合攻关，妥善解决了风电塔筒内部升降机关键部件降低结构自重的技术难关，为 Q235B碳钢波纹板齿条专利产品的应用创造了条件。对于-般的工程机械制造企业，生产的产品可能千差万别，但对不同金属材料组成的构件的连接技术是-个共性问题，从这个角度看本课题的研究成果，它具有广泛的社会意义。