风电塔筒免爬器主体结构的设计（下载送CAD图纸）

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1、 风电塔筒免爬器主体结构的设计Design of the main structure of the wind turbine drum crawler 摘要在国家的可持续方针和人们对环境的保护日益重视下，风电项目备受关注。风电项目的快速发展使得人们对其运作和维护的高效性和安全性有了越来越高的要求。免爬器便应运而生，免爬器的出现大大提高了工作人员的效率，降低了工作人员的劳动强度，增加了工作人员的安全系数。车体包括车身、可折叠踏板、扶手、失速保护装置、控制器、载物框、安全锁及天线等等，免爬器是一种运送工作人员和货物的装置。工作人员通过操纵装置平台的上升和下降，如果免爬器车体由于钢丝绳断裂、牵引力

2、不足等原因引发坠落时，安全锁将会强制将免爬器制停在导轨、钢丝绳或者爬梯上。本文以力学为基础，根据额定提升载重120kg（人）60kg（物），提升高度100m，提升速度16-18m/min，工作环境温度-4565，安全锁启动速度22m/min。以免爬器的主体结构为研究对象，在保证其必要的承载力、强度的情况下，做到结构上的优化及改进，利用有限元软件对其进行仿真，进行脚踏板的受力分析，研究各个参数对免爬器的应力分布的影响规律计算出该车体所需的强度和设计要点，利用ANSYS有限元分析验证理论计算。本次研究内容可以为免爬器的主体结构设计做适当参考，对之后的风电项目有一定的意义。关键词：风力发电；免爬器主

3、体结构；有限元分析；应力；ABSTRACTWith the countrys sustainable policy and peoples increasing attention to environmental protection, wind power projects have attracted much attention. The rapid development of wind power projects makes people have higher and higher requirements for the efficiency and safety of th

4、eir operation and maintenance. The non-climbing device came into being. The emergence of the non-climbing device has greatly improved the efficiency of the staff, reduced the labor intensity of the staff, and increased the safety factor of the staff. The car body includes the body, foldable pedals,

5、armrests, stall protection devices, controllers, load frames, safety locks and antennas, etc. The climb-free device is a device for transporting workers and goods. Workers use the control device platform to rise and fall. If the body of the climbing-free device falls due to wire rope breakage, insuf

6、ficient traction, etc., the safety lock will force the climbing-free device to stop on the guide rail, wire rope or climbing ladder.This article is based on mechanics, according to the rated lifting load of 120kg (person) 60kg (object), the lifting height is 100m, the lifting speed is 16-18m/min, th

7、e working environment temperature is -4565, and the safety lock starting speed is 22m/min. Taking the main structure of the crawler as the research object, under the condition of ensuring its necessary bearing capacity and strength, the structure is optimized and improved, and the finite element sof

8、tware is used to simulate it and analyze the force of the pedal. Study the influence of each parameter on the stress distribution of the climbing-free device to calculate the required strength and design points of the car body, and use ANSYS finite element analysis to verify the theoretical calculat

9、ion.The content of this research can be an appropriate reference for the main structure design of the climb-free device, and it has certain significance for the future wind power projects.Keywords： wind power generation; main structure of climbing-free device; finite element analysis; stress;加扣扣： 13

10、04139763 或 1064457796，购买发CAD图纸及相关文档目 录1 绪论11.1研究背景及意义11.2 风能发展的优势41.3 免爬器61.4 免爬器的研究现状及发展趋势71.5 课题研究的内容81.6 本章小结82.免爬器的综述92.1 免爬器背景说明92.2安全性要求分析102.3 免爬器主体结构简介112.3.1 轨道轮及其组件142.3.2 上部组件152.3.3 脚踏板组件172.3.4 导轨的设计182.3.5 超速保护装置的设计192.3.6 其他设计192.4 免爬器主体结构工作原理202.5免爬器主体结构的应用212.6 本章小节213 免爬器主体结构计算223.

11、1 原始资料223.2 主要研究内容233.2.1 风电系统免爬器车体垂直升降结构的设计233.2.2 驱动导向设计263.3 本章小节274 有限元分析294.1 顶部支架强度校核294.2防坠落系统支架强度校核304.3分离式顶部支架的强度校核334.4升降车脚踏板骨架的强度校核344.5顶部支架强度校核365 总结与展望385.1 总结385.2 展望38参考文献39致谢40VII1绪论1.1研究背景及意义经济的快速发展需要资源的大力提供。随着进入二十一世纪，煤、石油等不可再生资源的产量枯竭，开发出新的能源供经济的快速发展是我们每个国家迫在眉睫的任务。经济水平的提高使得我们的用电量一度增

12、加，一座座火力发电厂便拔地而起，但传统电力系统规模日益增加，结构日益复杂，使得电能在产生、运输和消费三个环节的强耦合性使得局部扰动干扰全局，甚至引起连锁反应，造成大面积停电事故。近年来，由于可再生能源发电大规模加入电力系统及突发性重大性自然灾害的频频发生，大面积停电有日益增加的趋势。远的不说，近的来说，美国去年冬天大面积停电，导致部分人员冻死在自家的床上，通过此类的事件，可以看出，大面积停电已经成为了如今电力系统的一个很严重的威胁和隐患。所以，对于如何加强如今电力系统存在的管理和建设问题的问题，如何尽可能快的在遇到大面积停电的情况下对供电进行恢复，减少因为大面积停电而造成的经济和社会损失，这样

13、的研究就需要得到重视。风能是一种清洁、安全、可再生的绿色新型能源，一经提出便受到全世界的瞩目。在我国更是重中之重的项目。习近平总书记说过“我们既要金山银山，也要青山绿水”。习主席的这一观点为我们国家和全世界都指明了未来发展的方向和奋斗的目标。近年来，环境污染严重、空气质量下降已成为人们谈论的热点，许多国家及企业纷纷将新能源的开发提上了日程。目前，我们所了解到的可再生清洁能源有太阳能、风能、水能、地热能等，风能的使用更加的广泛，存储量更加丰富，且取之不尽，用之不竭。因此风能具有更加广阔的发展前景和发展潜力。普特南姆在1984年估算了全球风能的储量，他估算的大气的总能量为1020w。世界气象组织对

14、他估计的数量进行了认可，并在来自风的能量技术报告中作了进一步的说明。根据目前相关资料的表述，全球风能资源的总储量约为2.74107MW，人类可以有效利用的约为2107MW，总储量十分巨大。目前，世界上已有超过100个国家进行风能资源的开发利用。当前风电机总装数较多的国家有中国、美国、德国、印度及西班牙等国家，日益成熟的风电技术，使得风能的利用范围越来越广，风力发电将会在世界范围内普及，风力发电可以有效的减缓温室效应，减少不可再生资源的消耗，增加能源的多样化，提高能源的安全性，改善我们的生活环境。此外风能还具有低成本、清洁、应用范围广等优点。我国的风能资源蕴含量十分丰富。就目前来说，中国的风能资

15、源主要散布在大陆西北、东北及华北地区，还有即使散布在东海、南海的沿海区域。详细来讲，大陆北部（包括西北、东北及华北）一带地势平坦，地域开阔，交通便利，风能资源蕴含十分丰富。在这些区域建立大规模风电机组群，会给我国带来巨大的收益。沿海地区属于风能资源好利用的区域。海上风能资源丰富主要是在海上风速高、风期时间较长，静风期时间特别短。图1.1、1.2为风电塔筒。 图1.1 内陆风电塔 图1.2 海上风电塔 我国西北地区的风能资源：因为在我国的西北地区海拔较高，地表比较平缓，因此拥有丰富的风能资源，西北地区是我国风能资源最丰富的地区。根据有关专家的统计和计算，我国西北地区的风能蕴藏量占了全国风能资源的

16、三分之一左右，大约含有3亿千瓦的可供开发的风能资源量。我国东北地区的风能资源：黑龙江省的风能资源丰富，占主要地区的三分之二以上，从年平均风能密度来说的话，位于吉林省中部地区的风能资源相对较少，而北部和南部相对来说风能资源相对较多。受经济和地形等因素的影响，风能资源在辽东半岛的辽河平原上得到的开发和利用比较少。我国华北地区的风能资源：华北地区是我国经济发展的重要地区，他包括北京市、天津市、河北省、山西省、陕西省以及内蒙古自治区，其中，河北省和内蒙古自治区是现有的风能资源的主要分布区域。河北省风能资源十分丰富，经济水平高，交通便利。内蒙古风能资源丰富，地域开阔，适合在那里建造大型风电场。既解决当地

17、就业问题，又合理利用了当地的资源，是一件利国利民的好事。我国风电场的建设相对来说较晚，但我们的发展很快、很猛。目前我国的风电制造产业链在不断完善和发展，已经基本可以满足国内建设的相关需求，但一些关键部位的零件技术还不够成熟，依旧需要从外国购买。我国目前已经站在全世界风力发电规模最大、市场最广和增长速度最快的地位。按照目前的情况，我国需要加大对研究风力发电技术的投入，提高自主创新能力，研发出新的适用性更好的产品，来弥补我国研究时间短的缺点，不断学习并掌握最前沿的技术，鼓励在风电制造业上发展创新的新兴企业，持续推动国家在风电项目上的发展，使我国达到国际领先的行列，为我国二十一世纪新能源的发展奠定良

18、好的技术基础，为我国的可持续发展做出突出的贡献。在如今的大环境下，风电系统的安全性、高效性就尤为重要了。风电塔筒免爬器的主体结构设计是在安全和高效的基础上进行的研究。免爬器可以使得工作人员在工作时免于攀爬的风险，提高了工作人员的工作效率，降低了人员的工作强度，大大增加了工作人员的安全性。风能作为一种清洁能源，早在很久之前便被人们发现利用。以前用它来抽水磨面，现在用它来发电，合理利用风能就是对环境的保护，风能的可再生、蕴含量大的优点使得各个国家都对其尤为重视。利用风来推动扇叶的转动，扇叶带动发电机，这样就将风能转换为电能了，这就是风力发电。我们只需要增加增速器就可以提高转速从而来增加发电机的发电

19、量。据了解我国目前的风车技术，大约当风量达到3m/s时，风力就可以带动扇叶转动，从而开始发电。风能在全世界的范围磅礴发展，它既不需要燃料，也不会造成污染。通多查阅资料，我了解到风力发电机不直接供人们使用，需要先给电池充电，在提供给人们使用，人们实际使用的电量的多少只与电池的大小有关。风力发电机功率的大小主要取决于局部空气的流量，而不是发电机的功率。相比于大型风电机而言，小型风电机更适合中国的内陆的条件。因为它由小风驱动，并且比大风更能发电，所以连续的小风比大风能为我们提供更多的电力。没有风的时候，我们可以使用蓄电池储存下来的电力能量，可以通过变压器及其他设备达到我们需要的电力要求。使用风力涡轮

20、机是为了将风力资源不断的转换为我们所使用的标准电力。对着对风力涡轮机的研究，其性能也在不断的提高，价格缺越来越便宜了。过去，它仅在偏远的地区使用，由于风力发电的不稳定，使得灯泡极易损坏。随着技术的发展，我们可以使用更先进的充电器和逆变器。风力发电已经成为技术上不是特别高的小型系统了。偏远地区已经使用风电系统制作路灯了，无需花费就可以照亮晚上的路。家庭版的风电系统不但可以在停电时保障用电，还可以节约家庭的开支，提高家庭的生活质量。在一些旅游景点、学校、军事基地及落后的山区，风电涡轮机正成为人们购买的热门产品。风电行业在中国的发展前景是非常广阔的。在之后的日子里，风电系统的高速和高效的发展，使得成

21、本日趋成熟，获利逐步提高。由于采用风力发电，从成本上来说就已经优于煤炭和水利发电了，风力发电的最大优点是，伴随着装机总量的增加，风力发电的成本在逐渐降低。在整个世界上，风力发电量一直保持在三成左右，伴随着我国对风电项目的大力支持与鼓励，风力发电的成本将会越来越低。这样就会有愈来愈多的投资者会关注到风力发电的项目，并以此来产生更多的利润。1.2 风能发展的优势在我国，风能的利用率远远低于饱和，在之后的很长一段时间里，我们仍需要高速发展，使其产生更多的盈利，随之技术也会越来越好，其成本也在逐渐降低。我国的风电产业仍将持续很高的新增建设速度，风电场的建设，相关设备的研发制造、相关技术人员的需求越来越

22、大。风力发电将会发展到一个新的高度。1. 相对应的产品技术日渐成熟，成本日渐降低风力发电技术相对于其他的清洁能源（太阳能、潮汐能、生物能）的发电技术来说，产品技术愈加成熟，成本愈来愈低，对环境的破坏比其他更小。在之前的那么多年，风电技术不断的突破完善，其规模逐渐增大，收益也逐渐提高，风电技术的长足发展进一步降低了生产成本，同时还提高了机组的发电效率，在节约成本的同时还增加了收入。其部件也拥有越来越长的使用寿命，维护的成本也在逐渐的降低，减少了人员的劳动强度。2. 产品逐渐国产化我国风力发电相关的设备制造技术已经趋于成熟。既为我国建设风电系统提供了便宜质量好的选择，也避免了国外对我国的技术侵压。

23、风力发电设备的国产化降低了我国对发电设施的投入，从而推动我国风电设备的高效发展。因此，国家和企业仍需加大对科研开发的投入，努力促进我国风电产业链的形成，用我们的优势，打开国际市场的大门，走向世界。3. 海上风力发电的兴起大海一望无际，且拥有非常丰富的资源。我国拥有广阔的海域，还拥有广大的发展空间，随着风电技术的日趋成熟，我国海上的风力发电资源远远大于陆地的风力资源的储备。目前，上海已经开始着手于海上风力发电的研究，随着技术越来越成熟，风电设备的成本不断的减少，海上风能的转化将会成为我国不可缺少的可持续发展资源。4. 风力发电的现代化和大型化随着资本的不断注入，对风电设备研究的不断深入，风电技术

24、日益成熟，使得风电设备越来越大型化和现代化。在降低风电机组成本的同时，也提高了我们的经济效益。风电机组的现代化和大型化，改变了现有的能源结构，减少了煤、石油等不可再生资源的损耗，从根本上减少了环境的污染，达到节能减排的目的，实现了习近平总书记说的“我们既要金山银山，也要绿水青山”。5. 风能的优势风能资源的储量在全球来看是十分丰富的，是取之不尽用之不竭的，其总量大于所有固体燃料和液体燃料所蕴藏的能量总和。风能是由风产生的，是一种干净清洁的燃料。风力发电不会污染空气，不像传统的火力发电那样需要依靠燃料的燃烧来产生电力。风力涡轮机不会排出污染大气的有害气体。由于风力资源的清洁、环保及可持续利用性，

25、成为了各国都在推进发展的新型能源。风力发电的成本相对于其他的资源的利用相对来说更低，适用范围更广，在不同的环境下安装和维护更加的方便，风电机组的大型化使得其成本更低，且在产生电力的同时，符合了当前社会的可持续发展的目标。风能的以上优势使得风能在新能源的开发上占据了独特的地位。我国地大物博，海域广阔，风能资源极其丰富，在我国一些边远地区，水力发电和火力发电成本、难度都较大，风力发电受地理限制较小，成本较低，适用范围较广。风电机组的建立，大大改善了边远地区的生活条件，风电项目的开发是一件利国利民的好事，国家应在风电项目上大力支持与鼓励。1.3 免爬器免爬器是一种安装在风机塔筒内的新型安全升降设备，

26、也被称为升降机，可用免爬器来实现载人载物，不在需要人们自己既费力又不安全攀爬。相对传统用的助爬器和塔筒升降机（简易电梯），免爬器比助爬器的功能更多、更省力，比升降机更便宜、更安全。免爬器根据导轨的额数量可分为单导轨导向和双导轨导向。图1.3为单导轨导向的免爬器，图1.4为双导轨导向的免爬器。 图 1.3 单导轨导向的免爬器 图 1.4 双导轨导向的免爬器免爬器一般由车体、导轨、钢丝绳、驱动装置、控制系统等部分组成。车体包括车身、可折叠踏板、扶手、失速保护装置、控制器、载物框、安全锁以及天线等，是运送人员或货物的平台。作业人员通过操纵装置平台升降，当车体由于钢丝绳断裂、曳引力不足等原因发生坠落时

27、，安全锁将车体制停在导轨、钢丝绳或者爬梯上。导轨安装在爬梯上，约束车体运行线路的刚性元件，作用是保持升降平台的运行平稳性，并能使安全锁能够可靠制停。电气控制系统由电气控制柜控柜、操作控制装置、限位装置等组成。电控柜一般安装在风机塔底或者爬梯上，并装有电机调速控制装置;操作控制装置可分为车上操控和手持遥控。驱动装置是车体上下运动的动力装置，包含驱动电机、减速器、制动器等，通过曳引驱动的方式，利用驱动轮与钢丝绳的摩擦力拉动车体上下运动。钢丝绳分为工作钢丝绳和安全钢丝绳。工作钢丝绳与驱动轮产生摩擦力驱动车体上下运行，并承受悬挂载荷的钢芯钢丝绳。安全钢丝绳装有防坠装置，正常情况下不承受悬挂载荷的钢芯钢

28、丝绳。风电塔筒的技术日趋成熟，风电机组越来越大型化，随之高度也随之增加，这样虽然使发电效率更加的稳定，但随之而来的是使得风电机组的维护愈发的艰难，增加了工作人员的劳动强度，对工作人员的安全拥有重大隐患。工作人员单单爬到风电塔筒顶端都是一项不小挑战，更不要说到顶端后还要加紧时间修理风电设备。免爬器的出现增加了工作人员的安全性，显得更加的人性化，对提高员工的工作效率起到了重要作用。1.4 免爬器的研究现状及发展趋势随着风力涡轮机运行时间的增加，风力涡轮机内部可能会经历老化和磨损，风力涡轮机崩溃的频率也会增加。当风车不停止运行，无法及时处理时，就会损害能源生产和风力涡轮机的及时和有效工作。修复故障已

29、成为发电公司的首要任务之一。由于风车塔的高度通常超过70米，维修人员经常要花很长时间才能到达风电塔筒顶端。此外，风力涡轮机的检查和维护需要爬上塔的楼梯才能到达机舱的风力涡轮机。因此，最重要的是选择安全、高效的免爬设备，以确保用户的安全，提高检查及维护风力涡轮机的效率，并保障发电设备正常的运行。免爬器可以全天二十四小时工作，间接减少了维护人员的规模，并提高了维护人员的年龄上限，体现了国家以人为本的战略方针，避免了传统的攀爬方式对工作人员的身体强度要求，以及多次攀爬对工作人员的身体损伤，使风电行业长期收益。2018年5月，国家能源局就制定并发布了关于2018年度风电建设管理有关要求的通知，以法律的

30、形式来规范风电行业的一系列问题。国家将以竞争的方法来促进风电项目的发展，减少对风电项目的投入与补贴，这一政策使得风电公司开始向运营和维护方面转移，风电运维市场开始逐渐进入成长期。伴随着风电项目的不断发展，我们的法律法规也会不断地完善，那些不正规的企业会逐渐被市场淘汰，总体发展会越来越好。免爬器结构简单，使用效果较好，在不久的将来一定会在市场上占据越来越多的比重。1.5 课题研究的内容本文以免爬器的主体结构为研究对象，在保证其必要的承载力、强度的情况下，做到结构上的优化及改进，利用有限元软件对其进行仿真，进行脚踏板的受力分析，研究各个参数对免爬器的应力分布的影响规律。1.6 本章小结本章首先了解

31、了风电项目的发展及前景，然后因风电塔筒的不好维护，以此引入了免爬器，对免爬器的现状及前景作了必要的描述，最后说明研究该课题的内容。2免爬器的综述近年来，风电事业的蓬勃发展使得免爬器的出现越来越频繁，免爬器在风电塔筒中主要起帮助工作人员达到塔顶和运送货物到达塔顶，它主要由电动机、脚踏板、缆绳等组成，减少了工作人员的劳动强度。本文的设计题目为风电塔筒免爬器的主机结构设计，其规格要求为：额定提升重量120kg（人）/60kg（物）、提升高度 100m、提升速度 16-18m/min、工作环境温度 -4565、安全锁启动速度 22m/min。2.1 免爬器背景说明（1）世界上对于该设备的相关法规大致是

32、一样的。在欧洲，核心的标准是EN811:1998；中国的国家标准是GB7588-2003电梯制造与安装安全规范，根据其最新版所作的修订，在技术内容上与欧洲的含有等样的效力，条款编号也与其保持一致。（2）按照已有的电梯行业的规定，电梯是指电动机带动的轿厢是运行在铅垂于地面的或倾斜角度小于等于15的两列刚性导轨之间的，用于运送乘客和货物的提升设备。要求悬挂钢丝绳最少为2根（安全系数16），下行超速需要布置保护装置，保护装置为安全钳。（3）按照国家现行的标准GB265572011B吊笼有垂直导向的人货两用施工升降机的规定，这种施工升降机是一种由电动机驱动的装置，由施工现场人员临时安装并使用。要求至少

33、有2条悬挂的钢丝绳（安全系数为12），并且大多数降速保护装置都是防坠落安全装置。（4）根据GB19155-2003高处作业吊篮，吊篮是指架设于建筑物或构筑物上，提升机驱动悬吊平台通过钢丝绳沿立面上下运行的一种非常设悬挂设备。悬挂钢丝绳数量未做要求（安全系数9），下行超速保护装置为与安全钢丝绳相配的安全锁且对安全钢丝绳数量未作要求。（5）根据上述条例规定，在安全性和可靠性等方面，需要满足，电梯大于施工升降机大于吊篮这一条件。电梯为固定安装的可供乘客使用的设备；施工升降机临时安装、供施工人员使用；吊篮则是非常设、仅供施工人员使用的设备。作为固定安装在风电塔筒、使用人员并不是局限于现场人员的设备，所

34、以免爬器的产品规范应更贴近电梯而非施工升降机或吊篮。应该有更高的安全性。2.2安全性要求分析（1）悬挂装置免爬器安装必须至少有2条钢丝绳或链条，并且每条钢丝绳或链条必须独立。钢丝绳的安全系数必须根据对应规范的文件进行计算。安全系数不应小于以下标准：（a）牵引驱动电梯的3条或以上钢丝绳应为12；（b）16条用于带有2条钢丝绳的牵引驱动电梯。（2）超速行驶保护装置车体必须配备安全装置并在下降时行驶，并且当达到限速器速度时，即使悬架系统发生故障，安全装置也必须能够固定导轨，以保持额定负载照原样。当额定负载的车辆由于出现事故自由落下时，制动期间安全钳的平均减速应为0.2m/s至1.0m/s。必须由合格

35、人员释放安全钳。只有在提升车体时，才能放开车体的安全装置，将其自动复位。电气检查当轿厢安全钳工作时，在轿厢中安装的合适的电气设备必须在安全钳运行之前或同时停止电梯驱动的主机。激活安全装置必须对应速度到达。紧急操作如果要移动额定负载为400N或更小的轿厢所需的工作力，则电梯驱动的主机必须配备手动紧急启动装置。降落。可移动手轮应放置在机房范围内。当曲柄手轮安装在电梯驱动主机中时，有必要激活当前的电气安全装置。如果车体承受的力大于400N，就需要在机房中安装符合要求的紧急电气操作的电动执行器。对于驱动400 N或更大功率以驱动具有额定负载的车辆的电梯驱动大型机，机房必须配备紧急电子开关。应急逃生当使

36、用人员必须在设备通道上攀爬脱困时，应确保免爬器已被机械锁止，不可能产生意外的移动或坠落。遥控功能电梯的运行控制方式中不包括遥控方式。由于免爬器本体采用的是敞开式的结构，在不能完全杜绝人员踏入免爬器站板的可能性、不能确保运行路线上没有其他人员的情况下，遥控功能具有额外的安全风险。2.3免爬器主体结构简介免爬器的具体要求，要求如下所示：1.个人坠落保护系统2.双重控制系统(手动操作和无线控制操作)。3.遥控器锁定保护操作人员在小车上控制优先此时禁用遥控功能。4.独立的坠落保护装置对人员和设备分别提供保护。5.断电保护功能：能停电时，小车停止运行可手动将其下降至起始平台。6.双手操作：小车运行人员双

37、手握住手柄并按下开关运行如任意一只手松开手柄小车将立即停止运行。7.过载保护功能：超载或与障碍物接触时控制系统会感应到超载并使小车停止运行。8.通过平台及法兰自动减速功能防止碰撞。解释下来就是以下几点：1.风电塔筒的免爬器载人时的额定载荷为120kg，且设计时按照正常使用的使用寿命要大于20年。2.应具有良好的环境适应能力，可以适应各种气候的使用，能够在外部环境温度-4565时，相对湿度95%，海拔4000米等条件下使用。3.当无履带装置到达焦点时，人员站立和物品踏板的高度应与风能塔管顶部的平台保持在同一高度。人和物品可能会下车。具体位置可以根据实际情况确定。4.控制方式（1）车体拥有控制箱，

38、车体手动，遥控器遥控三种不同的控制方式，控制方式是点动，控制箱的控制方式应该具有强制回车和自动控制的功能。（2）首先控制系统必须要具有多重闭锁功能，其次车体必须享有优先的绝对控制权。车体控制时，其他控制方式自动锁定无法控制车体，电控箱和遥控拥有次一级控制权，车体控制可随时开启。（3）遥控使用的信号为无线信号，且该信号需得为专用信号。5.车体通过塔筒法兰和平台时，平台应该具有自动降速及通过后提速的功能，并配合有声光报警的功能。6车体通过塔筒各层平台后，车体通过孔的盖板必须要及时关闭，防止高空中物体掉落，对下方人员造成伤害。7.车身和人的防坠落系统彼此独立。安装已安装的风力发电机塔架单元的无爬升装

39、置时，应保留梯子的原始抗摔钢丝绳。8.过载保护功能，超过额定负载后应发出警报，免爬器停止行驶。9.使用双顶限位装置和双底限位装置，当车身到达位置（顶部和底部）时，将立即触发以停止车身，并在限制位置使用缓冲装置使车身停止。10.出现停电、车体与控制箱通讯中断等问题时，驱动装置（电机）应立即制动，并调节并固定在坚固的车身部件上。11.车身上应设有操作员安全防护装置（护栏和护栏）。防护罩必须易于操作，易于且闭锁装置，手动运行。12.车身的承重踏板应可折叠和缩回，以便人们可以在不离开履带的情况下使用梯子，并且踏板应具有减震功能，以防止踏板突然而迅速地展开。13.车体和导轨需要永久性防脱落装置将两者固结

40、在一起，避免车体从导轨脱落或扭转。14.滑道必须使用刚性滑道，并且不得使用柔软的原稿（钢丝绳或链条）。15.有工作钢丝绳张紧装置，能够实时按照免爬器的位置，使用工况，及时调整工作的钢丝绳张力。16.禁止在梯子上安装通电的导轨或随附的电缆，以防止电击事故。17.具有操作和故障显示及提示系统，如果发生故障，易于检修。驱动单元和辅助电气设备设计的安装位置应该易于维护。18.在正常操作中，操作员的耳朵边的噪音不应超过85分贝。19.金属部件表面需要涂有防腐层，按照规定在沿海不低C4，在内陆不低于C3标准。20.电池应该有电压信号显示功能和低电压报警功能，在控制箱上应该可以做到直接充电。21免爬器主体操

41、作应该为双手拇指按压式。以保证双手操作。22.防坠落滑块具有防装反设计。23.免爬器的初位置设置要合理，放便工作人员上下车体。免爬器主体的产品标准1.车体作为安装在风电塔筒系统的固定设备，它是开放式的，是会有超速坠落风险的提升设备，并且该车体使用者也不是专业人员（而是得到允许的风电行业从业人员），所以该拥有自己的更高的安全标准，安全标准要高于塔筒式升降机和助爬器。2.目前市面上大多数的免爬器都是由助爬器升级而来，由于助爬器只是提供主力的辅助设备，不具备安全防护功能，所以这一技术路线存在很大的安全隐患，在免爬器车体进行升级时是需要重点注意。与免爬器主体结构息息相关的方面有：1.断电保护功能2.个

42、人防坠落装置3.独立坠落保护装置4.双手操作等。这些设计的初衷是为了保护操作人员的安全，在进行主体结构设计时需重点考虑。人员防坠落系统需要独立设计一根保险绳，其固接在轨道上，绳端有卡扣，利用卡扣和人链接在一起，在坠落发生时，它只作用在人身上，不与车体链接。以次来防止坠落的车体对人造成伤害。独立坠落保护功能，就是在发生意外的时候将车体和人用不同的保护设备保护，且两个保护设备必须不互相关联，以免两个一起坠落，车体砸到坠落的人的身体上，对人造成二次伤害。电源故障保护系统。由于无履带车身在断电后需要手动操作才能将其降低到初始平台，因此有必要在确保设计强度和设计要求的同时减轻其重量。人们可以轻松地将其手

43、动运行到起步平台。双手操作可以将车体运行的开关设置在上部手柄上，运用两个开关，将两开关串联，只有两个开关都接通时，负责提升的电机才运行，便可以实现。这些系统的设计对于工作人员是否能够安全工作是十分重要的，对于风电塔筒是否可以安全运行也是十分重要的，所以设计时必须要考虑周全，需要为后续工作人员的使用负责。免爬器按照导轨的数目分为两类：单导轨导向和双导轨导向。免爬器车体在风电塔筒中起提升作用。车身的移动靠电动机的带动，从而实现人员和物品的运输。如图2.1，免爬器是由1.脚踏板、2.轨道轮、3.安全锁踏板、4.手柄组件、5.面板、6.手柄等组成。图2.1 免爬器车体的组成2.3.1轨道轮及其组件图2

44、.2 导轨轮及组件导轨是免爬器车体的行驶道路，导轨起到了支撑、传递载荷及导向的作用。导轨轮就是在轨道上滚动的免爬器的车轮，由图2.2所示，该车体选择双导轨导向，其车体上有四个导轨轮，在连接处使用螺栓连接，由光轴支架、防护罩、导轨轮垫板组件、光轴安装块及导轨轮支撑弹簧等组成。通过螺栓和螺母与免爬器的车体进行连接。防护罩的主要作用其实就是防止一些细小的物体进入轨道，减少对轨道的损坏，保护机器的正常的运转，同时减少机器的风吹雨淋和其他外在的干扰，同时还可以保护工作者免于发生意外的伤害，而造成身体设备的损伤。其主要作用就是保护劳动者，避免发生意外损伤。防护罩的存在不应该妨碍员工的正常工作和视线，它应该

45、易于拆卸、安装、检查及维护。光轴支架的主要作用是对导轨轮起个支撑作用，固定导轨轮和免爬器车体的相对位置，同时固定免爬器车体和导轨的相对位置，光轴减少了摩擦力所消耗的额外功率，进而减少了电动机的额外功率，更加的节约能源，符合我国的可持续发展理念。导轨轮支撑弹簧使用的是螺旋弹簧，螺旋弹簧具有减缓冲击力的功能，减缓了人或者物体上下车时对轨道轮所产生的冲击力，减少了冲击力对轨道轮的损坏，增加了轨道轮的使用寿命。2.3.2上部组件如图2.3，上部组件包括上部手柄、面板，上部组件的主要总用是为了让工作人员在上下的过程中手部可以有个抓紧的地方，防止工作人员在上下移动的过程中因重心不稳，而从车上掉落下来，增加

46、了工作人员的安全系数，保障了工作人员的生命安全。 图 2.3 上部组件图 图2.4 上部手柄三维图 图2.5 上部手柄剖面图如图2.4上部手柄，是一段 u 型实心管构成，直径为25mm，垂直高度为 205mm，打 孔的圆心相距 180mm。如图 2.5，在互相平行的的圆柱上需要各打一个9的孔，靠近竖直端需要在9孔的基础上再打一个16的孔以便于用螺栓来固定手柄。零件技术要求为表面去毛刺，打磨光滑。和工作人员亲密接触的设备，需要提前做好处理好，避免对工作人员的伤害。手柄用螺栓固定。共有两个手柄，需要四道螺栓来紧固。2.3.3脚踏板组件图 2.6 脚踏板组件脚踏板组件是由两个踏板、钣金支架组件、踏板

47、铰链紧定轴、踏板铰链轴、踏板铰 链坐等组成。踏板可以分为左右两个，需要提前设计好脚踏板与免爬器车体的连接部分，需要进行强度、刚度的校核。脚踏板需要在其边缘处焊接一圈金属挡板，防止因底板面过于光滑，或者其它原因发生打滑，使得工作人员的安全存在不稳定因素。底板面左右各需打两个孔，鞋底如果有水，可以通过孔流出，防止因积水产生的锈蚀，从而降低脚踏板的使用时间。脚踏板承重要求（单只）60kg，合计为600N，鞋的接触面积按照0.03m2，则脚踏板收到的压力为20kpa，在进行设计是一定要注意满足该强度和刚度要求。图2.7 钣金支架组件钣金支架组件是由为踏板和踏板焊接版（中间横梁）两部分组成的，其上的两个

48、孔为脚踏板固定的孔技术要求。要求为：1.孔位置公差0.1、2.去除毛刺飞边，棱角倒钝、3.材料为 Fe/EP.Zn.c2C、4 零件表面涂上户外聚酯粉末涂料，颜色为蓝色，厚度为100-200，要求涂抹均匀，无明显颗粒杂质，附着要牢固。脚踏板组件主要作用为了固定脚踏板。通过螺栓与脚踏板结合在一起保证脚踏板水平，需要其满足一定量的强度，不能因为额定载荷而产生塑形形变，且需要有一定的安全系数，保证其的使用寿命。它作为一个车体的组件必须要做到容易更换，方便工作人员对风电塔筒的维修。 踏板铰链轴，是踏板上铰链转动绕行的基准，踏板铰链轴使铰链成为了一个固定的转动绕行，使踏板的位置限定在一个我们需要的范围内

49、。 踏板铰链坐，支撑、固定踏板铰链轴，承受由铰链轴传递过来的力，且发挥其定位的作用，它的位置可以确定踏板的位置，受到铰链给的力。铰链紧定轴，它的作用和铰链轴相似，但还有一个额外作用就是将铰链确定在轴的某个位置上，不让其在轴上移动。2.3.4导轨的设计图 2.8 导轨刨面图导轨的作用是用来引导免爬器升降车的移动方向，因此导轨应具有良好的垂直度的。2.3.5超速保护装置的设计该设备不是可选的非标准零件，它已连接到汽车，并且有两种触发方法： （1）当小车下行速度超过22m/min 时，内部滑轮通过离心力作用自动触发锁绳保护装置 。（2）不管在任何速度下手动拉动手柄就会触发锁绳的保护装置 。设计师需考

50、虑自动触发或手动触发的锁绳保护装置需要满足从开始到锁紧钢绳小车滑落距离不能大于20cm。2.3.6其他设计1.双钢丝绳式摩擦驱动，张紧力来自于重力，可以有效地避免钢丝绳延伸所导致的打滑：（1）张紧力不会失效； （2）双钢丝绳具有真正的安全冗余； （3）对爬梯承载要求低，约为 200 公斤 。2.永磁同步伺服电机 +精密行星齿轮减速箱，具有封芯制动功能，可实现故障及断电情况下的匀速下行 。3.设备导轨同时也是人员防坠落滑块的导轨，并设有对滑块位置的监测装置。 4. 载人时，必须佩戴防坠落滑块。并使滑块处于指定检测位置，平台才会启动。 5.当检测到防坠落滑块移开原始检测位置或者遇到障碍卡阻时，平台

51、会立即停止运行，避免免爬器与滑块的撞击、或设备与人员的分离。2.4 免爬器主体结构工作原理免爬器是风电发电机组的一个非常重要的组成部分，它主要用于将检修和维护人员送到固定的工作地点，由于风电塔筒安装在各种各样的不同的工作环境，在温度、湿度等方面会存在各式各样的差异。为了保证工作时的安全，车体必须拥有一定的环境适应力，在各种条件下能够稳定工作才能达到需求。 风电塔筒免爬器主体结构设计时，为了保护人员的安全，必须满足一定的设计强度，还需要考虑到设备的磨损和老化，考虑到意外的发生，要设计出紧急制动装置，来避免发生意外。免爬器的失效形式主要包括钢丝绳失效、驱动轮磨损、轴承磨损、导轨磨损、坠落保护装置失

52、效、电气故障等，在设计时应充分了解考虑相关的问题，从根本上解决问题，以此来防止事故的发生，从而保障人员的生命及财产安全。免爬装置是一种高性能、安全的风电塔筒升降设备，安装时无需改变原塔的结构。该装置安装在风塔的楼梯上，具有安全性高、运行平稳、结构设计坚固、操作简单等优点。安全表示避免过载（在运输或遇到障碍物时，设备会被唤醒而无法继续，以保护操作者的安全），保护遥控器锁（在设备中操作时，遥控器控制屏蔽以防止他人滥用），超速保护锁（确保人员超速安全），在发生停电或断电时，当设备的工作人员在启动设备时可以手动操作设备回到起始位置，设备单独配备有防坠落装置，与操作人员配备的防坠器相互独立，最大限度保障

53、安全。免爬器踏板较低的起始位置说明了使用的方便性，使操作者可以轻松地登上免爬器，不会上升到导轨顶部的高位置，可以使操作员轻松进入上平台。结构设计紧凑，爬楼梯占用空间小，对操作人员爬楼梯无影响，无需改造现有塔架结构。免爬器的出现大大节省了人员在攀爬中的体力消耗，提高了风力发电机的效率和运行。 设备单独配备有防坠落装置，与操作人员配备的防坠器相互独立，最大限度保障安全。2.5免爬器主体结构的应用免爬器车体以其相对较高的安全性，较低廉的价格，以及更好的减轻工作人员的工作强度得到了越来越广泛的应用，在风电机组中占据了相对一部分比例。由于其与工作人员的生命安全息息相关，所以其设计的合理性和安全性是极其重

54、要的，风电机组长时间的运作，需得保证车体有较高的寿命且相关零件易于更换和维护，这对于风电机组是否可以长时间工作、是否易于维护都具有很重要的意义。2.6 本章小节本章先介绍了风电免爬主体机构的相关定义，结构组成，然后说明了免爬器的工作方式，最后介绍了免爬器主体结构设计时需要注意的一些问题。3 免爬器主体结构计算3.1 原始资料了解免爬器的发展史，掌握免爬器的用途及其关键零部件的结构以及工作要求；了解免爬器车体的工作形式，能够对其尺寸进行合理设计；掌握查阅机械设计手册的能力，能根据手册准确查出相关参数；掌握三维建模的能力，确定各尺寸后能进行准确的参数化建模；所设计的内容要求方案合理，方法得当；设计

55、说明书要求语言简练、文理通顺、字迹工整；具备绘制工程图的能力；绘制零件图时应标注尺寸及公差、标注形位公差、表面粗糙度、标注特征表、公差、技术要求、标题栏；绘制装配图时应标注尺寸、公差、配合代号、零件编号、明细表、标题栏、技术要求等；具备一定的英文翻译能力，完成5000字左右的相关英文资料的翻译；能按进度完成毕业设计任务；能独立完成毕业设计任务，有一定自己的见解，杜绝抄袭；风电免爬器主体结构设计参数如下所示：（1） 额定提升重量：120kg（人）/60kg(物）；（2）提升高度：100m； （3）提升速度：16-18m/min； （4）工作环境温度：-4565；（5）安全锁启动速度：22m/mi

56、n； 主要结构特点电机变频驱动技术、断电锁定、双向运行升降车布局四轨道轮连接双导轨导向垂直防坠落系统8mm钢丝绳1根，离心式防坠安全锁牵引钢丝绳6mm钢丝绳2根牵引带自动松紧调节车载遥控器工业调频技术抗干扰能力强、带电量显示、闭锁保护电气控制方式变频矢量控制自动减速功能通过塔筒平台自动减速驱动方式双侧动力输出钢丝绳摩擦驱动方式3.2 主要研究内容3.2.1 风电系统免爬器车体垂直升降结构的设计垂直升降系统包括垂直升降车、辅助导轨和垂直升降车防坠落系统。 垂直升降车体：具有车身、扶手、可折叠踏板、控制升降装置、载物框等，是用来输送人员及货物的设备。 垂直升降车运行导轨结构在的选择上，选择了了双导

57、轨导向的结构，该结构能够使得垂直升降车轨道轮和导轨的接触面积增大，使其不易出现间隙，增加了垂直升降车在运行时的稳定性和乘车人员的舒适性。图3.1 垂直升降车双导轨结构垂直升降车提升吊点在设计上，采用了双吊点的设计，从而增加了垂直升降车在运行时的平稳性和整体的安全性。图3.2 垂直升降车双吊点设计垂直升降车由于使用了双导轨结构，为了能够保证垂直升降车和导轨始终贴合不会分离，在轨道轮上增加了弹簧张紧装置，用来保证轨道轮始终能够紧贴在导轨上。图3.3 轨道轮自适应装置图 3.4 防坠落系统装置由于垂直升降车采用双导轨结构，因此垂直升降车防坠落系统禁止布置在中间导轨上，需要单独设计出对应车体的防坠落系

58、统，这样可以保证攀爬人员的安全防护和垂直升降车防坠落系统是相互独立的，可以极大的提高工作人员的安全系数。车体防坠落系统使用安全锁结构，当垂直升降车下降速度一旦达到 22m/min 时，安全锁触发，夹紧防坠落钢丝绳，从而使得垂直升降车停止运行，起到保护工作人员的效果。3.2.2 驱动导向设计升降车在驱动上，采用了钢丝绳摩擦的驱动方式，通过增加驱动轮与钢丝绳之间的载荷，从而实现提升的目的。通过柔索传动的欧拉公式可以了解到，当处在极限状态时，驱动轮两侧钢丝绳张力的比值为： （式3.1）在公式 3.1 中：F1为重载侧钢丝绳张力；F2为轻载侧钢丝绳张力；e为自然对数的底数，e=2.718282;是钢丝

59、绳和驱动轮之间的的摩擦系数，通常取 0.2；为钢丝绳在摩擦轮上的围角，单位为rad。在公式1两边分别减去F2，得到： （式3.2）公式 3.2 的左边是摩擦轮两侧的张力差，它是由于滑动产生所需要的力。等式右边是整个驱动轮和钢丝绳接触区域上产生的极限摩擦力，它是阻碍滑动的力，即摩擦提升的牵引力。当公式 3.2 左边的值大于右边的值时，钢丝绳与摩擦驱动轮将产生相对滑动，这是禁止的。因此，为了提升工作的安全性和可靠性，在对应的极限状态下，必须有： （式3.3）在公式3.3中：为防滑安全系数。从公式 3.3 中可以看出，增加驱动轮和钢丝绳之间的张紧力或者增大驱动轮与钢丝绳之间的包角都可以增加提升力，因

60、此钢丝在缠绕方式上选择缠绕两圈从而达到增大包角的目的，为了保证提升的可靠性，设计了钢丝绳张紧装置，通过调整张紧轮上的张紧旋钮，使得弹簧对张紧轮产生张力，从而提高传动可靠性。图 3.5 为钢丝绳张紧装置。图 3.5 钢丝绳张紧装置3.2.3 钨丝绳的选择钢丝绳的安全系数应该大于或等于 9。它的计算公式为： （式3.4）式中 n安全系数； S单根钢丝绳额定破断拉力，KN；a 钢丝绳根数；W总载荷，是平台及其附属装备所可以接受额定载荷之和，单位是 KN。由于免爬器是一种较为特殊的提升机械，且是一种需要载人的机械，安全性能要求相对较高，因此依据最大提升力为155Kg 以及免爬器的特殊工作状况，所以选择

61、使用两根直径为6mm结构为19x7的镀锌面接触钢丝绳。3.3 本章小节本章主要是先了解已知条件，利用已知条件及各种力学理论知识，设计并计算出了符合要求的免爬器的主体结构。通过计算的结果，设计的组件符合我们的要求，组装后可以承担要求的称重要求。免爬器的主体结构设计较为合理。4 有限元分析4.1 顶部支架强度校核车体的顶部支架结构如下图4.1所示，其主要受力构件为支架和螺钉M20组成的支架轴。 图4.1 顶部支架结构图图4.2 支架轴等效应力云图对于M20螺钉可以将其力学模型等效为一悬臂梁，梁的横截面取 M20螺钉的小径，小径为17.3mm。图 4.2 为有限元分析计算得出的支架轴的等效应力云图，

62、从图中可得知该支架轴的最大等效的应力为32.6Mpa，设计结构满足强度要求。对于顶部支架可以将载荷等效为垂直向下的载荷和由支架轮之间产生的附加弯矩。 图 4.3 是顶部支架的等效应力云图。支架应力最大的区域出现在与支架轴的接合处，值为 68MPa，支架材料为 Q235B，屈服强度为 235MPa，支架安全系数为 3.4，主轴承是静态 的。负载的设计符合强度要求。图4.3 顶部支架等效应力云图4.2防坠落系统支架强度校核防坠落支架结构用来承受当免爬器升降车失速时固定整个免爬器升降车，安全锁最大锁紧力为 600kN,因此防坠落支架应在此载荷下满足强度要求，并且具有足够的刚度，为免爬器的使用者提供安

63、全保护。图 4.4 为防坠落支架的等效应力云图，从图中可以看出防坠落支架的最大等效应力 为 138.5MPa，发生位置在防坠落系统轴孔联接处。图4.4防坠落支架等效应力云图考虑到该处存在应力集中，选取防坠落支架可能破坏的危险截面进行观察，图 4.5 为防坠落支架危险截面处的等效应力云图，图中最大的等效应力为137MPa，因此支架的安全系数为 1.73，设计满足强度要求。图4.5 防坠落支架危险截面处等效应力云图图 4.6 是防摔支架的位移变形图。从图中可以看出，支架的最大位移变形为 0.38。图4.6防坠落支架的位移变形图4.3 分离式顶部支架的强度校核分体式顶部支架主要承受载荷来自于免爬器承载重量，钢丝绳自重，免爬器升降车自重还有来自于支