集群式液压千斤顶在反向平衡法兰错位调整的运用探讨

黄昆

摘 要：风机运行过程中反向平衡法兰错位对螺纹连接副的安全性带来隐患，会导致螺栓受剪和疲劳断裂，如不及时处理，可能会发生倒塔事件，带来较为严重的经济损失和人员伤亡事故。目前反向平衡法兰错位调整是采用大型吊机逐一拆卸叶轮、主机，在进行塔筒的拆卸并调整，所用周期长、费用大，隐形成本及安全风险不可控，增加施工和管理难度。用集群液压千斤顶同时缓慢顶升，来调整反向平衡法兰错位量。

关键词：周期长；费用大；集群式液压千斤顶；

0 引言

目前风力发电机的组装是通过大型移动式吊车对各系统逐一吊装，如超过一定重量的部件更换，需再次租用移动式吊车逐一拆解，更换后重新吊装，需花费大量的人力和财力完成拆装工作。新工艺、新技术的推广和使用，可降低了风机制造商的制造和维修成本，同时提高了运营过程中的可靠性。反向平衡法兰技术在风机塔筒上的运用，可提高塔筒紧固件预紧力的稳定性和可靠性，如在运行过程中反向平衡法兰错位，可借用集群式液压千斤顶技术调整错位，该技术的运用有助于反向平衡法兰技术的推广和使用，同时降低生产制造成本和维护成本。本文就塔筒反向平衡法兰错位在假定工况情况下的受力情况，用集群式液压千斤顶进行调整可行性进行分析。

1. 塔筒法兰在特定工况下的载荷分析，确定方案的可行性

1.1假定整改过程中的风况为正常风况，并均布拆掉错位法兰塔筒螺栓20颗，其它螺栓预紧力调整为100KN，在此风况下进行调整,需要保证如下条件： 风载扭矩作用下塔筒法兰不产生转动;风载弯矩作用下法兰不出现开口现象；法兰螺栓不会折断。根据机位年平均风速及50年一遇的极限风速计算塔筒法兰所受载荷，见下表1

表1 塔筒法兰处所受载荷 (含安全系数)

风况	Mxy/kNm	Mz/kNm	Fxy
工况1：15m/s、湍流0.45、机组空转	3991.8	585.7	55.7
工况2：50年一遇极限风况	31548	6109.6	861.7

1.2 塔筒法兰风载扭矩和风载弯矩系数计算

a)计算抗扭能力：法兰面摩擦系数按0.1计算，其余紧固螺栓预紧力100kN,螺栓预紧提供的抗扭能力(螺栓卸掉20个)：T1=F*µ*D*N/2=100kN×0.1×3238mm/2×64=1036kNm（其中D为塔筒法兰螺栓孔直径，N为螺栓紧固数量）

塔筒法兰抗扭安全系数：

正常风况1：S_T，1=1036/585.7=1.77；极端风况2：S_T，2=1036/6109.6=0.17

b)法兰开口评估：根据Schmidt-Neuper模型粗略估计法兰开口情况，如图2所示，Z为法兰带颈拉力，F_s为螺栓拉力，螺栓拉力F_s随法兰带颈拉力Z的增大，逐渐增大，有三个工作状态：zⅠ,法兰处于贴合状态，z=0，Fs=Fv初始预紧状态；Z_ⅠⅡ法兰处于半张口状态；z> Z_Ⅱ，完全张口，螺栓法兰处于杠杆作用模式。

图1 Schmidt-Neuper模型

筒壁拉力

其中：q=0.76为法兰载荷分配系数，根据法兰与螺栓的回弹力计算；

λ为杠杆比， 。由于ZⅡ，故法兰未出现开口状态，故说明在正常风况下，拆卸20颗紧固螺栓及其余螺栓的预紧力调整为100KN时不会导致塔筒开口和扭转。

2 施工过程中的风险评估，确保方案的安全性

根据Schmidt-Neuper模型，法兰平面弯矩、筒壁拉力Ｚ与螺栓拉力Ｆs的关系如下表2

表2 螺栓拉力及法兰平面弯矩关系

弯矩M	筒壁拉力z	螺栓拉力Fs
kNm	kN	kN
0	0	100
2594	48.2	112
4048	75.2	132
53824	1000	1750

2.1螺栓安全系数的计算

正常风况1：当弯矩载荷为3991.8kNm，根据表2 插值得到螺栓拉力F_s=1038KN, 保守考虑，法兰平面内的剪力与扭矩完全由螺栓承受，法兰平面剪力产生的螺栓剪力：

Q₁= = =1.7KN； 法兰平面扭矩产生的螺栓剪力 ，而10.9级的M42螺栓拉伸承载能力为1008kN，抗剪承载能力为631kN；

_{根据VDI螺栓的利用度，螺栓安全系数为}

极限风况2：弯矩载荷为31548kNm，根据表2.2插值得到螺栓拉力_，法兰平面剪力产生的螺栓剪力为_，法兰平面扭矩产生的螺栓剪力

_{根据VDI螺栓的利用度，螺栓安全系数为}

_{2.2 千斤顶选择}

千斤顶需要克服的工作扭矩，摩擦系数按0.2估计，千斤顶需要克服的扭矩有螺栓预紧产生的扭矩、机组自重产生的扭矩。机组自重G=180t，产生的扭矩为T2=1800kN×0.1×3238mm/2=290 kNm，螺栓预紧产生的扭矩T2=1036kNm×0.2=2072kNm，工作扭矩T=T1+T2=290+2072=2362 kNm，假如选择20个千斤顶，每个千斤顶需要提供的推力为：

_{2.3 反向平衡法兰焊缝抗剪能力计算}

_{加劲板焊缝剪切承载能力 ，安全系数为}S_q= =1.6,保证千斤顶在使用过程中，焊缝不会出现撕裂现象。

2.4 反向平衡法兰抗推能力为F=（1800+100×64）×0.1=820kN，则两种风况下的安全系数分别为S_q1= =14.7和S_q2= =0.95

_{根据上面分析结果，在正常风况1和极限风况2 的条件下进行施工， 螺栓、法兰平面抗扭、抗推安全系数见表3}

_{表3 螺栓、法兰平面抗扭、抗推安全系数}

	螺栓	法兰平面抗扭	法兰截面抗推
工况1	7.6	1.77	14.7
工况2	0.97	0.17	0.95

根据表3中数据分析，在正常风况下进行法兰错位调整螺栓是不会发生断裂，同时法兰平面抗扭能力、反向平衡法兰抗剪能力、法兰截面抗推能力均满足安全操作的要求。

3 结论

通过以上在两种风况下的受力计算，对塔筒螺栓紧固方式和千斤顶对错位反向平衡法兰进行调整，从可行性和安全性上进行力学分析，正常风况1满足施工过程中的操作安全要求，但尽量不要超过该风况下进行施工，存在较多的不可控性。该顶升技术的运用，对反向平衡法兰技术的推广及降低风机制造成本有着极其重要的意义。

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