CN102660950A - 海上风机单桩基础导向扶正机构 - Google Patents

海上风机单桩基础导向扶正机构 Download PDF

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郝军
王立权
汪莉
王辉
宗红霞
高嵩
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Harbin Engineering University
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Abstract

本发明提供一种海上风机单桩基础导向扶正机构，其包括机架、夹持和导向机构、水平调整机构以及垂直调整机构；该机架固定在作业船体上，水平调整机构和垂直调整机构设置在机架上，夹持和导向机构与垂直调整机构连接；其利用液压缸驱动控制，对海上风机单桩桩基安装过程中起到夹持、导向和扶正的作用，确保打桩锤在打桩过程中桩基垂直于打入海床，防止桩基在打桩过程中发生偏斜，保证风机正常运转，提高风力发电效率。

Description

海上风机单桩基础导向扶正机构
技术领域
本发明涉及海上风电场安装设备，尤其涉及一种海上风机单桩基础导向扶正机构。
背景技术
20世纪70年代石油危机以后，开始了风能利用的新时代。在一些地理位置不错的陆地上，风能的开发具有一定的经济价值，而人们在另外一个前沿，发现开发风力发电的经济性也相当不错：海上风能。世界上很多国家开始制定计划，考虑开发海上风电场，有的已经付诸实践。海上风电场的风速高于陆地风电场的风速，而且海上风力资源丰富，因此开发和设计适合海域特点的海上风机安装设备很有必要。
目前海上风机采用的基础形式和结构不尽相同，常用的主要有混凝土基础、三脚架基础、重力+钢筋基础、单桩基础等。单桩基础是一壁厚为30～70mm，长约为50m，直径4～6m，平均质量约为250t的圆柱形钢管，它是由钢板焊接而成，因它的结构简单、安装容易而被业内多数风电场安装项目中使用。单桩基础目前已经成为安装风力发电机的“半标准”方法，被广泛地应用于HornsRev，
Figure BDA00001696143400011
Utgrunden，Arklow Bank，Scroby Sands及Kentish Flats等风电场。
海上风机基础在打入海床的过程中发生倾斜可能的原因主要有以下几方面，一是受到来自于打桩锤的偏转力矩或偏心载荷的作用，当打桩锤的桩帽与桩基的桩顶接触发生错位时就会产生偏心载荷或是偏转力矩；二是当桩基在打入海床时遇到坚硬物体时，如鹅卵石等，桩基也会发生偏斜；三是遇到水平方向的力，如由于海浪、潮汐或是海流等引起的水平作用力或转矩，这些都会使得桩基发生偏斜，当然随着桩基的不断打入海床内部，土壤产生的摩擦推力也不断增加，桩基发生偏斜的机率也会随之降低，这时扶正及导向机构作用也就不那么明显了，但是，在打桩初期扶正及导向机构还是非常必要的，一方面它为桩基提供必要的导向，由于单桩基础长度一般都在5米左右，比较长，直径最大可达6.5米，重量一般都超过150吨，重量较大，即使桩基在自重的作用下插入海床，但这个深度土壤提供的摩擦力还不足以维持保证桩基沿着竖直方向向下运动；另一方面，当在打桩过程中遇到偏转力矩或偏心力时桩基发生倾斜时，因此需要通过扶正及导向机构的调整结构可以达到纠偏的目的。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种海上风机单桩基础导向扶正机构，其利用液压缸驱动控制，对海上风机单桩桩基安装过程中起到夹持、导向和扶正的作用，确保打桩锤在打桩过程中桩基垂直于打入海床，防止桩基在打桩过程中发生偏斜，保证风机正常运转，提高风力发电效率。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
本发明海上风机单桩基础导向扶正机构，其特征在于，包括机架1、夹持和导向机构2、水平调整机构3以及垂直调整机构4；该机架1固定在作业船体上，水平调整机构3和垂直调整机构4设置在机架1上，夹持和导向机构2与垂直调整机构4连接。
前述的海上风机单桩基础导向扶正机构，其中机架1是由一断面呈T字形的支架11以及一断面呈ㄇ字形的底架12构成的桁架结构，该断面呈T字形的支架11设置在断面呈ㄇ字形的底架12靠近开口的一端，该断面呈ㄇ字形的底架12的封闭端设有销轴孔121，该销轴孔121供垂直调整机构4的尾端固定；该支架11顶端设有吊耳111、112，且底架12中部设有吊耳122、123。
前述的海上风机单桩基础导向扶正机构，其中夹持和导向机构2包括手架21、两个活动钳子22和23、四个导向轮和两个夹持液压缸25、26；该手架21的顶部与垂直调整机构4的伸缩臂通过螺栓连接，手架21内侧对应设有导向轮213、214；该两个活动钳子22、23中部通过销轴与手架21开口的两端销轴孔211、212连接，使活动钳子22、23能够分别围绕穿设在销轴孔211、212内的销轴转动，该活动钳子22、23的前端内侧分别对应设有导向轮221、231，且活动钳子22、23的顶面分别设有护栏222、232；夹持液压缸25活塞端通过销轴与手架21一侧中部连接，夹持液压缸25缸体端通过销轴与活动钳子22后端销轴孔连接，夹持液压缸26活塞端通过销轴与手架21另一侧中部连接，夹持液压缸26缸体端通过销轴与活动钳子23后端的销轴孔连接。
前述的海上风机单桩基础导向扶正机构，其中水平调整机构3，该水平调整机构包括水平调整液压缸31及套管32；该水平调整液压缸31活塞端通过销轴连接在套管32的耳环321上，而缸体端固定在T字形支架11内侧；该套管32内设有凹槽322供套筒42外导轨426套接，使套管32沿着套筒42外导轨426滑动。该套管32的作用相当于曲柄滑块机构的滑块，通过水平调整液压缸31拉动套管32，从而带动夹持和导向机构2左右摆动，进而完成水平方向的调整。
前述的海上风机单桩基础导向扶正机构，其中垂直调整机构4包括垂直调整液压缸41、套筒42以及伸缩臂43；该套筒42为一内空的方形筒体，方形筒体内前半段设有内导向槽422，套筒42尾端设有销轴孔425，通过销轴使套筒42固定在机架1的底架12上，且套筒42顶部设有手架421；方形筒体内的后部设有底座423，该底座423为与方形筒体筒壁垂直的板体，板体上设有底孔424供固定垂直调整液压缸41的缸体端，套筒42前端外部设有外导轨426供套接套管32，使套管32可沿外导轨426移动；该伸缩臂43一端设有法兰，该法兰螺纹孔431与夹持和导向机构2手架21顶部相连，另一端设有耳环432与垂直调整液压缸41的活塞端相连，该伸缩臂43两外侧分别设有外导轨433，该外导轨433穿设在套筒42内导向槽422内，使伸缩臂43借助外导轨433而沿着套筒42内导向槽422移动；该垂直调整液压缸41位于套筒42内部，其缸体端固定在套筒42底座上，而活塞端与伸缩臂43的耳环432连接。通过垂直调整液压缸41推动伸缩臂43前后移动，完成伸缩臂43的伸长和缩短动作，进而完成垂直方向的调整。
前述的海上风机单桩基础导向扶正机构，其中夹持和导向机构2的手架21包括两个断面呈V字形板体215以及连接该两个断面呈V字形板体的连接板216，两个断面呈V字形板体215的顶部设有法兰，该法兰与伸缩臂的法兰端螺接；该夹持液压缸25活塞端通过销轴与手架21一侧连接板上设有的耳环217连接，夹持液压缸25缸体端通过销轴与活动钳子22后端销轴孔连接；该夹持液压缸26活塞端通过销轴与手架21另一侧连接板上设有的耳环218连接，夹持液压缸26缸体端通过销轴与活动钳子23后端销轴孔连接。
本发明海上风机单桩基础导向扶正机构的有益效果，该海上风机单桩基础导向扶正机构的垂直调整液压缸控制伸缩臂动作而使夹持和导向机构能够准确到达单桩基础(简称桩基)位置，与此同时，夹持和导向机构的两个活动钳子加紧桩基，通过水平调整液压缸和垂直调整液压缸进行桩基扶正作业，从而达到桩基垂直度的要求。本发明解决了打桩时桩基发生偏斜的问题，确保打桩锤在打桩过程中桩基垂直打入海床，保证风机正常运转，提高风力发电效率。
附图说明：
图1是本发明海上风机单桩基础导向扶正机构整体结构示意图。
图2是本发明海上风机单桩基础导向扶正机构的机架结构示意图。
图3是本发明海上风机单桩基础导向扶正机构夹持和导向机构结构图。
图4是本发明海上风机单桩基础导向扶正机构垂直调整机构结构意图。
图5A是本发明海上风机单桩基础导向扶正机构套筒底座结构示意图。
图5B是本发明海上风机单桩基础导向扶正机构套筒内导向槽结构示意图。
图6是本发明海上风机单桩基础导向扶正机构套管结构示意图。
图7是本发明海上风机单桩基础导向扶正机构伸缩臂结构示意图。
图8是本发明海上风机单桩基础导向扶正机构未加紧桩基实施状态图。
图9是本发明海上风机单桩基础导向扶正机构加紧桩基实施状态示意图。
图中主要标号说明：1机架、11支架、111吊耳、112吊耳、12底架、121销孔、122吊耳、123吊耳、2夹持和导向机构、21手架、211销轴孔、212销轴孔、213导向轮、214导向轮、215为V字形板体、216连接板、217耳环、218耳环、22活动钳子、221导向轮、222护栏、23活动钳子、231导向轮、232护栏、25夹持液压缸、26夹持液压缸、3水平调整机构、31水平调整液压缸、32套管、321耳环、322凹槽、4垂直调整机构、41垂直调整液压缸、42套筒、421手架、422内导向槽、423底座、424底孔、425销轴孔、426外导轨、43伸缩臂、431螺纹孔、432耳环、433伸缩臂外导轨。
具体实施方式
如图1所示，本发明海上风机单桩基础导向扶正机构，其特征在于，包括机架1、夹持和导向机构2、水平调整机构3以及垂直调整机构4；该机架1固定在作业船体上，水平调整机构3和垂直调整机构4设置在机架1上，夹持和导向机构2与垂直调整机构4连接。
如图1、图2所示，本发明海上风机单桩基础导向扶正机构，其中机架1是由一断面呈T字形的支架11以及一断面呈ㄇ字形的底架12构成的桁架结构，该断面呈T字形的支架11设置在断面呈ㄇ字形的底架12靠近开口的一端，该断面呈ㄇ字形的底架12的封闭端设有销轴孔121，该销轴孔121供垂直调整机构4的尾端固定；该支架11顶端设有吊耳111、112，且底架12中部设有吊耳122、123。
如图1、图3所示，本发明海上风机单桩基础导向扶正机构，其中夹持和导向机构2包括手架21、两个活动钳子22和23、四个导向轮和两个夹持液压缸25、26；该手架21的顶部与垂直调整机构4的伸缩臂通过螺栓连接，手架21内侧对应设有导向轮213、214；该两个活动钳子22、23中部通过销轴与手架21开口的两端销轴孔211、212连接，使活动钳子22、23能够分别围绕穿设在销轴孔211、212内的销轴转动，该活动钳子22、23的前端内侧分别对应设有导向轮221、231，且活动钳子22、23的顶面分别设有护栏222、232；夹持液压缸25活塞端通过销轴与手架21一侧中部连接，夹持液压缸25缸体端通过销轴与活动钳子22后端销轴孔连接，夹持液压缸26活塞端通过销轴与手架21另一侧中部连接，夹持液压缸26缸体端通过销轴与活动钳子23后端的销轴孔连接。
如图1、图6所示，本发明海上风机单桩基础导向扶正机构，其中水平调整机构3，该水平调整机构包括水平调整液压缸31及套管32；该水平调整液压缸31活塞端通过销轴连接在套管32的耳环321上，而缸体端固定在T字形支架11内侧；该套管32内设有凹槽322供套筒42外导轨426套接，使套管32沿着套筒42外导轨426滑动。该套管32的作用相当于曲柄滑块机构的滑块，通过水平调整液压缸31拉动套管32，从而带动夹持和导向机构2左右摆动，进而完成水平方向的调整。
如图1、图4、图5A、图5B所示，本发明海上风机单桩基础导向扶正机构，其中垂直调整机构4包括垂直调整液压缸41、套筒42以及伸缩臂43；该套筒42为一内空的方形筒体，方形筒体内前半段设有内导向槽422，套筒42尾端设有销轴孔425，通过销轴使套筒42固定在机架1的底架12上，且套筒42顶部设有手架421；方形筒体内的后部设有底座423，该底座423为与方形筒体筒壁垂直的板体，板体上设有底孔424供固定垂直调整液压缸41的缸体端，套筒42前端外部设有外导轨426供套接套管32，使套管32可沿外导轨426移动；该伸缩臂43一端设有法兰，该法兰螺纹孔431与夹持和导向机构2手架21顶部相连，另一端设有耳环432与垂直调整液压缸41的活塞端相连，该伸缩臂43两外侧分别设有外导轨433，该外导轨433穿设在套筒42内导向槽422内，使伸缩臂43借助外导轨433而沿着套筒42内导向槽422移动；该垂直调整液压缸41位于套筒42内部，其缸体端固定在套筒42底座上，而活塞端与伸缩臂43的耳环432连接。通过垂直调整液压缸41推动伸缩臂43前后移动，完成伸缩臂43的伸长和缩短动作，进而完成垂直方向的调整。
如图1、图2所示，本发明海上风机单桩基础导向扶正机构，其中夹持和导向机构2的手架21包括两个断面呈V字形板体215以及连接该两个断面呈V字形板体的连接板216，两个断面呈V字形板体215的顶部设有法兰，该法兰与伸缩臂的法兰端螺接；该夹持液压缸25活塞端通过销轴与手架21一侧连接板上设有的耳环217连接，夹持液压缸25缸体端通过销轴与活动钳子22后端销轴孔连接；该夹持液压缸26活塞端通过销轴与手架21另一侧连接板上设有的耳环218连接，夹持液压缸26缸体端通过销轴与活动钳子23后端销轴孔连接。
如图8、图9所示，本发明海上风机单桩基础导向扶正机构使用时：将本发明海上风机单桩基础导向扶正机构固定在安装驳船甲板的一侧，它的夹持和导向机构2伸出船外，由两个夹持液压缸25、26控制的活动钳子22、23处于张开状态。当风机的单桩基础由安装船运到安装地点后，通过吊装机具完成吊装和翻转，使桩基垂直于海平面缓慢下放，当桩基到达海床时，桩基会在自身重量的作用下插入海床3至4米，这时撤去吊装机具同时导向扶正机构的垂直调整液压缸41控制伸缩臂43使得夹持和导向机构2准确到达桩基位置，与此同时，夹持和导向机构2的两个活动钳子22、23夹紧桩基，这时打桩锤安装到桩基的顶部，在锤击作用力的作用下，桩基会沿着导向轮向下移动，连续锤击几次后，检查桩基的垂直度，一旦发现桩基垂直度超过正负0.5度，就要通过水平调整液压缸和垂直调整液压缸进行扶正，从而达到桩基垂直度的要求。
水平调整机构和垂直调整机构主要作用是推动夹持和导向机构在水平面进行横向和纵向的移动。水平调整机构和垂直调整机构分别通过水平调整液压缸和垂直调整液压缸控制而完成纠偏作业。
水平调整：通过水平调整液压缸拉动套管，套管可以在机架内部滑动从而带动夹持和导向机构完成左右摆动，调整范围通过水平调整液压缸活塞的伸出长度确定，进而完成水平方向的调节。
垂直调整：通过垂直调整液压缸推动伸缩臂在套筒内前后移动，控制伸缩臂的伸长和缩短动作，带动夹持和导向机构的伸缩，进而完成垂直方向的调整。
该扶正导向机构采用回转纠偏。回转纠偏顾名思义就是通过装置的回转运功来实现纠偏的形式，整个机构可以绕铰接点转动，转动角度范围根据设计参数设定。当桩基在海床的土壤发生偏斜时，偏斜的方向是很难预料的。以桩基偏斜角度α为例，在三维坐标系下，桩基与竖直方向Z轴的夹角为α的轨迹为一圆锥体，当扶正导向装置在绕铰接点转动时，前面夹子将做圆弧运动，由于桩基偏转的角度α不太大(桩基允许的最大偏斜角度为0.5度)，所以整个扶正导向装置的运动轨迹可以近似看做为直线运动，当桩基被拉回到中间位置后，靠近夹子的伸缩装置将桩基进一步拉回到原来的位置，完成纠偏任务。
本发明海上风机单桩基础导向扶正机构的优点是：
该导向扶正机构由于采用了回转纠偏原理，减少了液压回路的设计，所以结构设计合理实用，拆装方便，适合船上作业。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种海上风机单桩基础导向扶正机构，其特征在于，包括机架(1)、夹持和导向机构(2)、水平调整机构(3)以及垂直调整机构(4)；该机架(1)固定在作业船体上，水平调整机构(3)和垂直调整机构(4)设置在机架(1)上，夹持和导向机构(2)与垂直调整机构(4)连接。
2.根据权利要求1所述的海上风机单桩基础导向扶正机构，其特征在于，所述机架(1)是由一断面呈T字形的支架(11)以及一断面呈ㄇ字形的底架(12)构成的桁架结构，该断面呈T字形的支架(11)设置在断面呈ㄇ字形的底架(12)靠近开口的一端，该断面呈ㄇ字形的底架(12)的封闭端设有销轴孔(121)，该销轴孔(121)供垂直调整机构(4)的尾端固定；该支架(11)顶端设有吊耳(111、112)，且底架(12)中部设有吊耳(122、123)。
3.根据权利要求1所述的海上风机单桩基础导向扶正机构，其特征在于，所述夹持和导向机构(2)包括手架(21)、两个活动钳子(22、23)、四个导向轮和两个夹持液压缸(25、26)；该手架(21)的顶部与垂直调整机构(4)的伸缩臂通过螺栓连接，手架(21)内侧对应设有导向轮(213、214)；该两个活动钳子(22、23)中部通过销轴与手架(21)开口的两端销轴孔(211、212)连接，使活动钳子(22、23)能够分别围绕穿设在销轴孔(211、212)内的销轴转动，该活动钳子(22、23)的前端内侧分别对应设有导向轮(221、231)，且活动钳子(22、23)的顶面分别设有护栏(222、232)；夹持液压缸(25)活塞端通过销轴与手架(21)一侧中部连接，夹持液压缸(25)缸体端通过销轴与活动钳子(22)后端销轴孔连接，夹持液压缸(26)活塞端通过销轴与手架(21)另一侧中部连接，夹持液压缸(26)缸体端通过销轴与活动钳子(23)后端销轴孔连接。
4.根据权利要求1所述的海上风机单桩基础导向扶正机构，其特征在于，所述水平调整机构(3)，该水平调整机构包括水平调整液压缸(31)及套管(32)；该水平调整液压缸(31)活塞端通过销轴连接在套管(32)的耳环(321)上，而缸体端固定在T字形支架(11)内侧；该套管(32)内设有凹槽(322)供套筒(42)外导轨(426)套接，使套管(32)沿着套筒(42)外导轨(426) 滑动。
5.根据权利要求1所述的海上风机单桩基础导向扶正机构，其特征在于，所述垂直调整机构(4)包括垂直调整液压缸(41)、套筒(42)以及伸缩臂(43)；
该套筒(42)为一内空的方形筒体，方形筒体内前半段设有内导向槽(422)，套筒(42)尾端设有销轴孔(425)，通过销轴使套筒(42)固定在机架(1)的底架(12)上，且套筒(42)顶部设有手架(421)；方形筒体内的后部设有底座(423)，该底座(423)为与方形筒体筒壁垂直的板体，板体上设有底孔(424)供固定垂直调整液压缸(41)的缸体端，套筒(42)前端外部设有外导轨(426)供套接套管(32)，使套管(32)可沿外导轨(426)移动；
该伸缩臂(43)一端设有法兰，该法兰螺纹孔(431)与夹持和导向机构(2)手架(21)顶部相连，另一端设有耳环(432)与垂直调整液压缸(41)的活塞端相连，该伸缩臂(43)两外侧分别设有外导轨(433)，该外导轨(433)穿设在套筒(42)内导向槽(422)内，使伸缩臂(43)借助外导轨(433)而沿着套筒(42)内导向槽(422)移动；
该垂直调整液压缸(41)位于套筒(42)内部，其缸体端固定在套筒(42)底座上，而活塞端与伸缩臂(43)的耳环(432)连接。
6.根据权利要求3或5所述的海上风机单桩基础导向扶正机构，其特征在于，所述夹持和导向机构(2)的手架(21)包括两个断面呈V字形板体(215)以及连接该两个断面呈V字形板体的连接板(216)，两个断面呈V字形板体(215)的顶部设有法兰，该法兰与伸缩臂的法兰端螺接；该夹持液压缸(25)活塞端通过销轴与手架(21)一侧连接板上设有的耳环(217)连接，夹持液压缸(25)缸体端通过销轴与活动钳子(22)后端销轴孔连接；该夹持液压缸(26)活塞端通过销轴与手架(21)另一侧连接板上设有的耳环(218)连接，夹持液压缸(26)缸体端通过销轴与活动钳子(23)后端销轴孔连接。 
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