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图1：2015-2019年间全球风电装机量对比图（单位：GW）
根据风电是起重机械的运行情况中维修和日常维护是起重机械的数据统计给出维修与维护是起重机械的比例分布图，如图2所示。从图中可以看出，在日常维护过程中主要是对控制系统和齿轮箱进行定期的维护，在维修任务中，占有比例较大的依然是控制系统，另一项是风机叶片。风电叶片是整个风电机组系统中关键部件，在运行中承受不同程度的交变载荷，叶片尺寸大，外形复杂，精度要求高，表面要求光洁，同时叶片材质需具备高强度和高刚度，修复工艺要求较高，叶片的破坏形式主要是疲劳，常见故障主要出现在叶片表面、叶片前缘和后缘、叶尖、叶根等位置，表现为裂纹、腐蚀、开裂，折断等现象。[4]同时，在风力发电机组制动之前出现的叶片断裂，极易导致与相邻叶片、机舱和塔筒的撞击，处置不当或不及时，将造成叶片失效事故的二次伤害。
图2：风电设备维修与维护比例分布图（单位：次）
风电设备中的塔筒是承载构件，其承受的载荷复杂多变，且失效具有突然性、毁灭性和不可修复的特点[5]，因此，需要定期维护和检修。风电塔筒在运行中所产生的缺陷主要来自材料本身的缺陷、未被发现焊接缺陷等制造缺陷、安装过程中形成的缺陷等。这些缺陷中大部分缺陷在制造和安装过程被检测出来予以修复，但另一部分缺陷则是在运行过程中随着时间的增加和环境的改变逐渐累积扩展出来的，需要定期的外观检查来发现。这类缺陷若能及时发现可以避免因塔筒结构失效带来的事故，此外，塔筒的外立面也需要定期的粉刷防腐。
图3：风机叶片的维修作业设备
图4：风机塔筒的维修作业设备
目前，国内在维护和维修作业过程中主要采用人工悬挂方式进行作业，如图5所示。这种作业方式，安全系数低，施工人员的劳动强度大，所完成的施工质量同样得不到保障，是一种及其落后的作业方式。因此，对叶片及塔筒的检修和维护进行研究，设计开发具备便利性和安全性，符合施工要求的作业设备，对开展叶片和塔筒的维修与维护具有实际的意义。
图5：人工风电塔筒喷涂过程
随着我国风电事业的高速发展，风电市场中风电机组的单机容量持续增大，目前，MW级风电机组已成为国、内外风电市场中的主流机型，国内大型风电设备安装和维修工程越来越多。陆地或是海洋中的大型风机塔筒达到几十米甚至上百米，叶片和塔筒等设备的定期维护和维修等工程难度和成本也在逐渐增加。其主要原因是风能资源蕴藏丰富的地区多集中在东南沿海以及内蒙古、新疆、甘肃等地理环境恶劣地区，给维护和维修施工带来诸多不便，所以开发设计简洁轻便，成本低且运输方便维修设备具有较大的必要性。通过对风电叶片与塔筒外立面维修相关内容的研究，考虑采用不同的方式解决不同设备对风机叶片和塔筒的适应性，规范维护和维修工艺，使相关的方案和设备能够适用于外立面较复杂的叶片和塔筒结构。相比于对传统的作业方式，该方式不仅节省费用，同时可以提高作业效率节约工期。最重要的是，施工过程中作业人员的安全能够得到有效的保证，可有效地解决叶片和塔筒外立面施工难度大的难题。
参考文献：
[1]孙一琳.2019年,全球风电市场转型进行时[J].风能,2019, 110(04):70-72.
[2]梅迪斯.风力发电机组的综合防雷技术措施研究[J].科技风.2019(18) :180.
[3]张珂,樊玉言,马文文,等.风电起重维修平台夹紧机构的设计[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2013, 029(003):549-554.
[4]张磊安,魏修亭,陶黎明,等.风电叶片疲劳加载激振系统解耦控制算法及试验研究[J].工程科学与技术,2017, 049(001):P.109-114.
[5]佟圣皓,张珂,孙佳,等.Dynamic analysis of wind turbine maintenance liftingplatform风电维修起重平台夹紧机构的动力学分析[J].建筑机械化,2014, 000(007):50-54.
作者：沈阳建筑大学机械工程学院 申锡机械有限公司 孙佳 吴杰施 李佳 钱孝君
来源：《风能产业》2021.05
