海上大型基础钢桩单边夹持吊具的研究

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风力发电作为-种新兴的快速发展的能源类型正在被广泛地开发与利用。据统计全球每年风电增长率超过20%，在我国陆地上10m高度风力资源总储量约为 32.26亿千瓦，其中可供开发利用的为2.53亿千瓦，约占总储量的7.8%；而世界上公认海上风力资源是陆地上的3～5倍，若按 3倍计算，我国海上可开发利用的风力资源约有7.5亿千瓦，共计 10亿千瓦。

因此，海上风电便渐渐得到应用并取得了突飞猛进的发展 J。风电从陆地走向海洋，由此带来 了运输、安装和吊装等问题。

本文将针对海上风机叶轮大型基础钢桩的安装、吊装研究-种单边夹持吊具，实现海上大型基础钢桩的吊装、移动等作业。

1 基础钢桩单边夹持吊具的结构设计基础钢桩单边夹持吊具需要完成的任务是把大型风力发电机组的基础钢桩从施工船上 吊装到海里就位，难度是需 吊装的基础钢桩体积与重量大，普通的起重吊具无法完成此项作业，因此，需要特殊设计。

基础钢桩单边夹持吊具主要由吊具主体、船上液压动力源与控制操作柜三部分组成，技术指标如下：基础钢桩为 64 000～ 5 O00mm、壁厚为 20～70mm的钢管；垂直起吊重量为300～500t；夹紧方式为液压驱动、机构 自重；放松方式为液压驱动；液压系统额定压力为25 MPa；流量为 20L/min；承载方式为液压缸预紧力、机构自锁。

基础钢桩单边夹持吊具主体结构三维模型如图 1所示，主要由机架组件 1、主吊钩2、液压缸组件 3、夹紧机构组件 4、伸缩杆组件5及副吊耳 6等部件组成。

吊装工作过程分为放置、抬起、起吊和松开四个步骤，具体原理如下。

1)放置钢桩吊具：使用钢桩吊具副吊耳将钢桩吊具放置到水平钢桩中，启动液压缸夹紧钢桩，液压缸提供初始拉力为90t。2)抬起钢桩：使用主吊钩起吊792013年第 8期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)钢桩吊具，使得钢桩由水平状态直立为垂直状态，抬起过程中随着钢桩抬起角度的增大起吊负载力增大，随之，夹紧机构凸轮的自锁力增加。3)起吊钢桩：当钢桩变为垂直状态后，负载力最大为钢桩净重 300t，此时，夹紧机构凸轮的自锁力最大，夹紧机构可提供约6倍钢桩净重的夹紧自锁力，即1 800-2 000t，能够承受钢桩重力，吊起钢桩至安装位置就位。4)松开钢桩吊具：钢桩就位后启动液压缸回程，夹紧机构在 自重凸轮带动下松开夹紧，使钢桩吊具与钢桩脱开，将钢桩吊具由钢桩处移开，完成吊装作业。

图1 基础钢桩单边夹持吊具主体结构三维模型1.机架组件 2.主吊钩 3.液压缸组件4.夹紧机构组件 5.伸缩杆组件 6.副吊耳2 吊具夹紧受力状态分析基础钢桩单边夹持吊具要 吊起大型风力发电机组基础钢桩，势必会受到钢桩很大的反作用力，因此，吊具夹紧机构需要承受这个反作用力，才能达到工作的要求，能够安全地在海上进行风力发电机组基础钢桩的吊装。吊具夹块与钢桩相互作用的结构如图2所示，图2中：A为钢桩( 为外径、6为壁厚)、B为夹紧块(移动斜滑块)、C为固定斜滑块、D为外夹体。

， // / D / / //// /A ，，D0- / / A～ 已：：：：： / 图2 吊具夹块与钢桩相互作用的结构根据钢桩吊具设计的原理，当液压缸预紧夹紧块B后， 与 之间将不会再有相对运动，可以把 A和80视为-个整体。当钢桩被翻转吊起时，4和 就会产生-齐向下的运动趋势，由于在 B的表面加工出很多倒梯形细牙齿，这些细牙齿会随着 A和 的向下运动而逐渐嵌入到钢桩内壁中，因此使得A和 紧紧挤在- 起，不会发生相对滑动。A与D之间以及 与 C之间在钢桩被翻转吊起时，会发生相对滑动的趋势。

与D之间以及B与c之间属于滑动摩擦，但它们不是简单的滑动摩擦，不能应用单纯的钢和钢之间的摩擦因数来确定。在图 2中，D、A、 、c的材质分别为铸铁、软钢、钢、黄铜，根据相关资料及实验，A与 D之间以及 与 C之间的摩擦 因数可以根据表 1进行选用 。 。为对 D所能承受的压力选取 4.63MPa，即软钢表面有损伤但未达到破坏时的压力；对c所能承受的压力选取4.63MPa，即钢表面在达到损伤前的压力；在表 1中可以找到对应的数值，4与 D之间的摩擦因数对于铸铁为 0.376，B与 C之间的摩擦因数对于钢为0.403。

表 1 摩擦因数与压力之间关系钢桩吊具夹块的受力分析如图3所示，钢桩 A和夹紧块日受六个力的作用：D对 A的水平正压力 N ；D对A的摩擦力 。；支反力 。为正压力 Ⅳ。和摩擦力的合成；C对曰垂直于斜面正压力N2；C对B摩擦力 ；支反力Rz为正压力Ⅳ2和摩擦力 F，2的合成。

图3 吊具夹块的受力分析李挺前：海上大型基础钢桩单边夹持吊具的研究 2013年第8期根据力多边形得：N[ta 1tan(fl2 )]G (1)式中：N为夹紧块 两侧受到的正压力，即 Ⅳl、Ⅳ2，N。Ⅳ2，N；or为夹紧块 的升角，0c15。； 为钢桩外壁摩擦角， 25。； 为固定斜滑块 c的摩擦角，卢 22.3。；G为钢桩重力，N。

3 吊具夹紧机构的研究3.1 吊具夹紧机构的组成与夹紧原理吊具夹紧机构由液压缸凸轮 1、液压缸 2、自重凸轮3、伸缩杆4、主吊钩5和销轴6等部件组成，单边吊具夹紧机构如图4所示。

-、、 .r- . . .I- -4，，，- -- -尹 -// / ， 图4 单边吊具夹紧机构1.液压缸凸轮 2.液压缸 3.自重凸轮4.伸缩杆 5.主吊钩 6.销轴夹紧原理如下：首先，钢桩为水平放置状态，此时，液压缸 2有杆腔进油，活塞杆回退，带动液压缸凸轮 1顺时针转动夹紧钢桩内壁，初步实现预夹紧，同时，固定在液压缸凸轮 1上的销轴 6沿 自重凸轮 3所开的弧形槽内顺时针滑动到前端(上端)，自重凸轮 3不动；然后，起吊机械吊起主吊钩 5，主吊钩 5处起吊力 方向始终垂直向上，随着钢桩抬起角度的增加主吊钩 5与伸缩杆 4夹角 将增加，主吊钩 5相对钢桩内壁为逆时针转动，带动伸缩杆 4前端(靠近点 0)逆时针转动，而伸缩杆 4则带动 自重凸轮 3绕凸轮回转轴顺时针转动夹紧钢桩，进-步实现钢桩的夹紧作业；之后，随着钢桩抬起角度的继续增加，起吊负载力增加，通过伸缩杆4反馈给 自重凸轮3的夹紧力也增加，即起重量越大自重凸轮3夹紧力也越大，形成 自锁，直至抬起钢桩成垂直状态，此时，主吊钩 5与钢桩轴线重合，即图4中OA线，同时，自重凸轮3所开的弧形槽相对销轴 6顺时针转动到后端(下端)；再后，起吊钢桩到安装位置就位；最后，液压缸 2无杆腔进油，活塞杆伸出，推动液压缸凸轮 1逆时针转动，使得液压缸凸轮 1夹紧动作松开；同时，销轴6带动自重凸轮3同步逆时针转动，松开自重凸轮3的夹紧动作，即销轴6的作用是带动自重凸轮 3与液压凸轮 1同步逆时针转动。自重凸轮 3逆时针转动又带动伸缩杆4回缩，使得主吊钩5回到起吊钢桩前的初始位置，此时将吊具直接吊出钢桩卸下，完成钢桩起吊作业。

3.2 凸轮夹紧力分析液压缸凸轮与自重凸轮的受力如图5所示。吊具的凸轮工作廓线采用渐开线，其各点的斜楔升角是不- 样的，所以不同的夹紧位置会产生不同的夹紧力。

当夹紧钢桩时，液压缸凸轮 1所受的力有：液压机构提供的原动力 F；钢桩对凸轮 1的反作用压力，即夹紧力Ⅳ；凸轮回转轴对液压缸凸轮 1的作用力 ，由于与Ⅳ的夹角很小，方向相反，所以 -Ⅳ；凸轮回转轴对液压缸凸轮 1的摩擦力 F F 为回转轴对液压缸凸轮 1的摩擦因数；被夹钢桩对液压缸凸轮1的摩擦力 F2 为钢桩对液压缸凸轮 1的摩擦因数。根据静力平衡原理得：FLF1rF2LBKCOS0 NLsKsino (2)式中： 为液压机构提供的原动力力臂，in； 为夹紧力作用点到凸轮回转轴中心的距离，rfl；r为凸轮回转轴半径，in； 为夹紧力与 BK的夹角，即渐开线的斜楔升角。

F L (3)增力比k为：k--N- - - - - - - - - - - - - - - - - - - r4、- F c0s LBKsinq由前面夹紧机构的工作原理可知液压缸凸轮 1的作用是预夹紧钢桩及与自重凸轮联动松开。由图 5a所示可知凸轮外轮廓半径增大方向与负载力方向相反，因此，在起吊钢桩的过程中液压缸凸轮 1能够提供- 定的预夹紧力并形成自锁。此机构为增力机构，增力比k与 、r、 肌 有关，当机构参数确定后， 、r为定值，L 可由 确定， 是-个变化的值，此时，增力比k仅与 有关，k的取值范围为1.45

在确定夹紧机构各参数后，可得到液压缸凸轮 1. 81程学进，等：腰椎 L1～IJ3节段三维重建与快速成型 2013年第 8期2 结语1)在 CT图像的基础上，利用 Mimics软件完成了腰椎椎体的三维重建。

2)充分运用解剖学知识分析椎间盘的结构与特点，利用通用三维软件强大的建模能力，建立了椎间盘模型，并在建模的过程中较好地保证了其与相邻椎体间的接触，为今后腰椎有限元模型的建立与分析打下了基矗3)引入快速成型技术加工出腰椎模型，不但可为个性化的手术提供支持，指导相关手术操作，还可以在相关培训、医患交流、取得患者及家属的理解与配合等方面有着重要的意义。

由于人体的特殊性及个体的差异性，通过 CT图像以及快速成型技术的利用，可以较好地完成人体组织三维重建及加工，但在临床应用中尚有以下问题亟待进-步解决：1)模型精度问题。模型的精度主要涉及两个方面，-是依据 CT图像三维重建的精度，医学图像的获得受设备条件的限制，故模型重建时对于图像处理的水平要求较高；二是成型机的加工精度，目前市场上成型机的精度多由厂家出厂前设定，用户可选的范围较小，例如，实验所用成型机喷嘴所能选择的只有 T10、T12和 T16三种，层分辨率也只能相应地选龋2)成型材料的选择。成型机可使用的材料种类有限，且价格较高，而人体的骨骼具有生命性，它的力学性能就随着年龄、性别、生活习惯、降状况及工作环境的不同而不同-发-种既可以方便地快速成型，又可以满足力学特性个性化需要，为快速成型技术直接制作可植人人体的骨科医疗器械带来了新的挑战与机遇。