馬振江，姚耀淙，丁捍東，葉路明

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；3.中交第三航務(wù)工程局有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315200）

0 引言

受海況的影響，在海上安裝重達460 t的風(fēng)機，其難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過陸上的風(fēng)機安裝。風(fēng)機海上整體安裝必須解決在風(fēng)浪條件下，因起重船吊運風(fēng)機造成風(fēng)機底部法蘭與風(fēng)機基礎(chǔ)承臺連接法蘭對接時周期性的碰撞而導(dǎo)致風(fēng)機損壞的技術(shù)問題。

在海上風(fēng)機整體安裝時，需滿足機艙處的沖擊加速度不大于0.3g的要求[1]，為此提出風(fēng)機的柔性安裝方案，擬借助特定的緩沖裝置來解決風(fēng)機的軟著陸問題。之前已完成了緩沖裝置的設(shè)計，并進行了單個緩沖裝置的室內(nèi)測試實驗，各項技術(shù)指標(biāo)均達到預(yù)期的設(shè)計要求。但多個緩沖裝置能否協(xié)同工作，以滿足海上風(fēng)機整體安裝的特殊要求，尚不得而知，需通過進一步試驗驗證，為惡劣海況條件下安裝各類風(fēng)機提供科學(xué)依據(jù)。

1 緩沖裝置的設(shè)計

緩沖器設(shè)計采用氣囊復(fù)位、錐形棒節(jié)流式的緩沖器[2]。

1）節(jié)流方式：通過柱塞和節(jié)流棒之間具有規(guī)律的間隙，構(gòu)成節(jié)流環(huán)。當(dāng)高速物體沖擊到緩沖器時，在節(jié)流環(huán)與蓄能器的作用下，吸收沖擊能量，從而實現(xiàn)減速，達到緩沖的目的。

2）復(fù)位方式：在緩沖過程中，缸體和柱塞內(nèi)的部分液體將流入蓄能器，從而在蓄能器氣囊內(nèi)形成較高的氣體壓力。當(dāng)載荷撤離后，柱塞將在蓄能器內(nèi)的高壓氣體和自重的推動下復(fù)位。緩沖器結(jié)構(gòu)形式及工作原理如圖1所示。

2 緩沖裝置性能模擬試驗

2.1 試驗方案制定

風(fēng)機整體柔性安裝系統(tǒng)包括上部吊架系統(tǒng)、下部就位系統(tǒng)、平衡梁三大部分。由起重船的2個鉤頭通過平衡梁與上部吊架系統(tǒng)將風(fēng)機整體吊起，移至承臺處的下部就位系統(tǒng)上方，緩慢放下，對中就位。

本模擬試驗中需要測試的主要參數(shù)有：風(fēng)機安裝時緩沖器沖擊加速度、風(fēng)機向下位移以及緩沖器油缸活塞的位移等[4]。

為模擬海上實際安裝工況，需要確定風(fēng)機的質(zhì)量，根據(jù)實際情況，風(fēng)機自身重為460 t，風(fēng)機整體安裝輔助設(shè)備上部吊架系統(tǒng)重110 t，平衡梁重80 t，故風(fēng)機整體安裝總質(zhì)量為650 t。另需要確定模擬試驗撞擊速度，根據(jù)東海風(fēng)機安裝現(xiàn)場海況及起重船性能，結(jié)合我局前期《東海風(fēng)電場3 MW風(fēng)力發(fā)電機海上安裝駁船運動測試》報告，風(fēng)機整體安裝過程中海況為：風(fēng)力小于6級，波周期5 s，起重船船體最大起伏±750mm，起重船吊鉤下放最大速度為50 mm/s，經(jīng)計算，吊鉤相對于下部就位系統(tǒng)最大速度約為0.6～0.8m/s。

為在模擬試驗過程中獲得與風(fēng)機相同質(zhì)量及海上撞擊速度的效果，需解決如何產(chǎn)生如此大的動能及各類技術(shù)問題。

考慮到風(fēng)機整體安裝過程中決定碰撞力大小的關(guān)鍵因素是碰撞時的動能，模擬試驗時，降低碰撞物體的質(zhì)量，提高碰撞時的速度，保證碰撞時的動能與風(fēng)機整體安裝過程中碰撞動能的大小相同。在上部吊架系統(tǒng)加工成型的基礎(chǔ)上，決定采用安裝有8個緩沖器的海上風(fēng)機整體安裝上部吊具系統(tǒng)（總重110 t）進行模擬緩沖裝置性能試驗。根據(jù)動能原理，模擬設(shè)備沖擊動能應(yīng)與風(fēng)機整體安裝時產(chǎn)生的實際動能相等。

式中：m1為風(fēng)機整體重，650 t；v1為風(fēng)機整體安裝最大撞擊速度，取為0.7m/s；m2為上部吊架系統(tǒng)重，110 t；v2為上部吊架系統(tǒng)所需的最大沖擊速度。

按上式計算得模擬試驗上部吊架系統(tǒng)的撞擊速度應(yīng)為v2=1.70m/s。

然而，要使110 t重的設(shè)備達到如此快的速度，最合理的方式就是采用自由落體的形式，按照模擬試驗上部吊架系統(tǒng)自由落體，若撞擊時速度為v2=1.70m/s，則要求上部吊架系統(tǒng)自由落體初始位置高度為：

根據(jù)上述高度計算結(jié)果，決定進行3次模擬試驗，第一、二次模擬試驗的自由落體高度與計算值相近，由于設(shè)計緩沖器有一定的安全系數(shù)，故第三次模擬試驗的自由落體高度遠(yuǎn)大于計算值，3次模擬試驗上部吊架自由落體初始高度取為：115 mm、166 mm和260 mm。即模擬風(fēng)機整體吊裝時與承臺連接塔筒上法蘭表面碰撞的相對速度為 0.62m/s、0.74m/s、0.93m/s。

2.2 自脫鉤分離設(shè)備及現(xiàn)場裝置工藝設(shè)計

模擬試驗首先需將110 t重的上部吊架系統(tǒng)起吊到設(shè)定高度，然后突然釋放，自由下落撞擊地面。為實現(xiàn)上述過程，需解決如下問題：

1）撞擊場地需具有一定的剛性，故需鋪設(shè)鋼板，同時配備吊機將上部吊架系統(tǒng)起吊至設(shè)定高度。

2） 設(shè)計自動脫鉤裝置，由于要將110 t重的系統(tǒng)突然釋放，其固定設(shè)備會產(chǎn)生極大的反作用力，對起吊設(shè)備造成損壞，而且一般的脫鉤裝置及設(shè)備均難于實現(xiàn)如此大力的突然釋放。參考導(dǎo)彈發(fā)射分離機構(gòu)設(shè)計及運載火箭助推器分離機構(gòu)設(shè)計[3]，采用3套鋼絲滑輪組承受110 t載荷，再用3組3CC0-200剪切式爆炸螺栓（表1）在50 ms內(nèi)同時爆炸剪斷螺栓，實現(xiàn)即時分?jǐn)嗟囊蟆?/p>

表1 剪切式爆炸螺栓性能參數(shù)Table1 Performance parameter of shear type exp losive bolt

自脫鉤分離設(shè)備以及現(xiàn)場工藝布置實現(xiàn)方法如下：

①試驗場地埋設(shè)3根φ1 200 mm的鋼樁，3根鋼樁內(nèi)部設(shè)相互隔離的自脫鉤裝置（保證自脫鉤后鋼絲繩不相互纏繞，以達到自由落體的目標(biāo)），3根鋼樁下部均開人孔，用于安裝自脫鉤設(shè)備及固定鋼絲繩。

②每根鋼樁頂部固定一個定滑輪，內(nèi)部設(shè)定位置焊接分離機構(gòu)1，同時設(shè)計分離機構(gòu)2，分離機構(gòu)1、2用以連接爆炸螺栓，平時由工藝螺栓連接，在上部吊架吊至設(shè)定高度后，安裝爆炸螺栓。

③在上部吊架均布固定3組動滑輪及吊耳。

④分離設(shè)備2吊耳通過鋼絲繩張拉器連接至鋼絲繩，并通過滑輪組將鋼絲繩的另一端連接至上部吊架系統(tǒng)，共使用3組鋼絲繩，則分離機構(gòu)1連接的鋼絲繩拉力為110 t/（3×3）=12.2 t?？紤]1.5的安全系數(shù)，故選擇爆炸螺栓單個受力為20 t。具體布置見圖2。

圖2 自脫鉤分離系統(tǒng)（單位：mm）Fig.2 Self-breakaway separation system(mm)

2.3 傳感器選型、測點布置及測試儀器

本次緩沖裝置性能模擬測試中，主要測試參數(shù)為加速度和位移。

根據(jù)風(fēng)機上部吊架系統(tǒng)底座結(jié)構(gòu)型式特點，共布置4個加速度測點，采用加速度傳感器，測點布置在吊架系統(tǒng)下環(huán)梁；布置4個緩沖器油缸測點，采用拉線式長度傳感器，測點布置在4個緩沖器油缸附近。傳感器測點布置見圖2。

本次測試采用CRAS振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)和INV組合式抗混濾波放大器。

采用壓電式加速度傳感器，通過CRAS振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)可以直接測出碰撞過程各測點的加速度，使用磁性底座固定在測點處。用拉線式位移傳感器測試緩沖器活塞位移，位移傳感器通過螺栓固定在加工配件上。

3 現(xiàn)場測試過程

2009年2月11日在寧波市北侖區(qū)白峰滿洋船廠進行了東海風(fēng)電安裝工程緩沖裝置性能模擬試驗?，F(xiàn)場測試工藝流程如下：

1）完成整個測試設(shè)備的安裝與布線。

2）吊機將上部吊架系統(tǒng)起吊至設(shè)定高度，將鋼絲繩張緊，之后將分離機構(gòu)2與分離機構(gòu)1通過2個工藝螺栓連接，固定整個上部吊架，將吊機與上部吊架系統(tǒng)脫離，上部吊架在自重作用下使鋼絲繩張緊。

3） 通過鋼絲繩張拉器微調(diào)3組滑輪組鋼絲繩，調(diào)整上部吊架自由落體初始高度至設(shè)定位置，安裝3組爆炸螺栓固定分離機構(gòu)2與分離機構(gòu)1，最后拆除3組工藝螺栓。

4） 同時起爆3枚爆炸螺栓（之間誤差不大于5ms），上部吊架系統(tǒng)自由下落，完成整個撞擊模擬試驗，測得相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 測試數(shù)據(jù)的初步分析

本次模擬試驗共進行了3種工況的試驗，表2列出了實測4個測點在各工況的下落高度。

表2 各工況下落高度值Table2 Falling heightvalue in differentoperating conditions mm

表3列出了4個測點在各工況下的位移和加速度的實測值。由于壓電式傳感器的頻響范圍在1～5 000 Hz，而系統(tǒng)自由落體過程的頻率為0 Hz，因此在自由落體過程的加速度測量結(jié)果存在一定的誤差。

表3 位移、速度、加速度檢測結(jié)果匯總表Table 3 Test resultsof displacement,velocity and acceleration

4.1 加速度分析

從表3可以看出，各工況下每個測點實測加速度值都比較大，最大達到了7.1g，看似遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.3g的風(fēng)機安裝要求，但超過0.3g的時間在150ms內(nèi)，據(jù)有關(guān)專家分析，實際的風(fēng)機安裝過程中，因風(fēng)機機倉距撞擊底部約80m，沖擊加速度不會大于0.3g。

取爆炸螺栓引爆后上部吊架系統(tǒng)底座開始下落后800 ms的一段時間為研究對象（800 ms以后每個測點加速度基本都?xì)w于0），這段時間包括系統(tǒng)的自由落體過程以及碰撞-緩沖過程。典型的測點3在各工況下的加速度曲線如圖3所示。表4列出了每個測點的自由落體過程以及碰撞加速度超過0.3g的時間。

圖3 實測加速度曲線Fig.3 Themeasured acceleration curve

表4 實測加速度信號分析Table 4 Signalanalysisof themeasured acceleration ms

工況二和工況三因每個測點距地面實際高度存在一定差異，造成每個測點碰撞時刻不一致，每個測點自由落體過程總時間也不一致（表4），因每個測點碰撞時刻不一樣，會相互影響，加速度變化比較復(fù)雜，但各個緩沖器的協(xié)調(diào)工作性能良好。

4.2 位移分析

緩沖器活塞的最終位移隨著上部吊架系統(tǒng)下落高度的增大而增大，試驗過程中相同工況每個測點的位移變化比較接近。從典型的工況二測點4位移曲線（圖4）可看出，上部吊架系統(tǒng)在緩沖器位移到達一定的臨界數(shù)值后處于停頓狀態(tài)，停頓時間約為6 s，工況三出現(xiàn)了同樣的情況，停頓時間也約為6 s。工況一由于活塞最終位移小于臨界位移，并沒有出現(xiàn)上述的停頓過程。這種情況的出現(xiàn)符合緩沖器的設(shè)計要求，緩沖器的能量吸收能力良好。

圖4 工況二測點4位移曲線Fig.4 Disp lacement curve ofmeasure point4 in condition 2

5 結(jié)語

1）3次緩沖裝置性能模擬測試，在沖擊遠(yuǎn)大于風(fēng)機實際安裝沖擊性能的工況三情況下（自由落體高度為260mm），底座測點最大加速度為7.1g；在稍大于風(fēng)機實際安裝沖擊性能的工況二情況下（自由落體高度為166mm），底座測點最大加速度為6.0g，經(jīng)分析，風(fēng)機整體安裝過程中沖擊加速度不會大于此，且加速度超過0.3g的時間小于100 ms，如上的瞬時沖擊可以忽略不計，故測試結(jié)果滿足設(shè)計要求。在實際的風(fēng)機安裝過程中，由于加速度從風(fēng)機底部傳到頂部有個衰減過程，目前較難在理論上建立這種衰減關(guān)系，建議風(fēng)機實際安裝過程中，直接在頂部機艙附近安裝加速度傳感器，以測試機艙的實際加速度值。

2）上部吊架系統(tǒng)在緩沖器活塞位移到達一定的臨界數(shù)值后會處于停頓狀態(tài)，停頓時間與沖擊能量的大小有關(guān)，符合緩沖器的設(shè)計初衷；試驗證明8組緩沖器協(xié)調(diào)工作性能良好。緩沖裝置試驗結(jié)果為海上風(fēng)機整體安裝打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]中交第三航務(wù)工程局有限公司.東海3MW風(fēng)機海上安裝規(guī)程[R].2009.CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Installation specification forDonghai3MW offshoreunitedwind turbine[R].2009.

[2] 周瓊，詹永麒，朱昌明.活塞式蓄能器在電梯用液壓緩沖器中的應(yīng)用[J].流體傳動與控制，2006（3）：25-28.ZHOU Qiong,ZHAN Yong-qi,ZHU Chang-ming.Application of piston accumulator in oil buffer used in elevator[J].Fluid Power Transmission and Control,2006(3):25-28.

[3]谷良賢.導(dǎo)彈總體結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.GU Liang-xian.Generalstructure design of guidedmissile[M].Xi′an:Northwestern PolytechnicalUniversity Press,2004.

[4]中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海港灣工程質(zhì)量檢測有限公司.上海東海風(fēng)電安裝工程軟著陸系統(tǒng)模擬試驗測試報告[R].2009.Shanghai Third Harbour Engineering Science&Technology Research Institute Co.,Ltd.,ShanghaiHarbor Quality Control&Testing Co.,Ltd.Test report on soft landing system simulation experiment of ShanghaiDonghaiwind power installation engineering[R].2009.