基于ANSYS的液壓提升架結(jié)構(gòu)有限元分析

蔣磊

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力建設(shè)第一工程公司，南京 210001)

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是火力發(fā)電廠三大特種件之一，其安裝直接關(guān)系到火力發(fā)電廠建設(shè)的成敗。安裝燃?xì)廨啓C(jī)必須滿足安全、經(jīng)濟(jì)、工期短和方便施工的要求，吊裝裝置的結(jié)構(gòu)必須滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，否則會(huì)發(fā)生機(jī)毀人亡的重大事故[1]。隨著起重機(jī)械設(shè)備的發(fā)展，吊裝所使用的吊具及吊裝方法也趨于多元化、復(fù)雜化。利用液壓提升裝置吊裝燃?xì)廨啓C(jī)的方法安全可靠，應(yīng)用范圍廣，條件適應(yīng)性強(qiáng)，是近幾年興起的新型燃?xì)廨啓C(jī)吊裝技術(shù)[2]。

為滿足某2×400 MW機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)吊裝的需要，中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力建設(shè)第一工程公司設(shè)計(jì)了額定起重量為5 000 kN的液壓提升架，并委托鄭州科潤(rùn)機(jī)電工程有限公司對(duì)該液壓提升架的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性[3]核算。

1 吊裝方案

1.1 吊裝前的準(zhǔn)備工作

燃?xì)廨啓C(jī)吊裝前，應(yīng)做好以下工作：主廠房頂、墻、窗全部完工，具有良好的防風(fēng)條件；發(fā)電機(jī)臺(tái)板找平、找正工作完畢，并正式就位；發(fā)電機(jī)臺(tái)板擺放穩(wěn)固[4]；抬吊燃?xì)廨啓C(jī)專用的液壓提升架經(jīng)有關(guān)部門驗(yàn)收合格；提升架行車軌道上無(wú)雜物，保證行車路線專用；檢查線路及配電房線路，確保吊裝作業(yè)工作中不出現(xiàn)停電、斷電等情況；吊裝施工人員須持證上崗。

1.2 吊裝實(shí)施工作

將4臺(tái)GYT-200C型液壓提升裝置裝在提升架的扁擔(dān)梁上，液壓提升裝置的下錨頭用卡塊固定在扁擔(dān)梁上面中間的預(yù)留孔位置，安裝時(shí)確保液壓提升裝置垂直并保持與剛梁預(yù)留孔同心。千斤頂與底座間用螺栓固定，千斤頂上不用導(dǎo)向架固定，安置導(dǎo)向裝置[5]。根據(jù)編號(hào)在液壓泵與千斤頂之間連接油管，油管連接要相對(duì)應(yīng)，連接完畢后由負(fù)責(zé)人員檢查核對(duì)，如有錯(cuò)誤應(yīng)及時(shí)糾正。

液壓提升架通過(guò)液壓油缸驅(qū)動(dòng)，提升架運(yùn)行到燃?xì)廨啓C(jī)的起吊位置，4臺(tái)液壓提升裝置進(jìn)行抬吊，抬吊過(guò)程要有專職人員進(jìn)行觀測(cè)，確保4個(gè)吊點(diǎn)的抬吊一致，并且起吊載荷相對(duì)其重心位置的中心線偏擺角度不超過(guò)4°。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)提升到適當(dāng)高度時(shí)，停止抬吊，通過(guò)驅(qū)動(dòng)液壓油缸推動(dòng)提升架前進(jìn)，到達(dá)燃?xì)廨啓C(jī)安裝位置時(shí)，停止運(yùn)行，放下燃?xì)廨啓C(jī)并確保其在安裝位置就位。

2 液壓提升架金屬結(jié)構(gòu)分析

2.1 液壓提升架結(jié)構(gòu)的組成

液壓提升架金屬結(jié)構(gòu)主要由千斤頂擱置框架、活動(dòng)頂梁、固定頂梁、承載柱、承載底梁、大跑平衡梁和車架梁組成。液壓提升裝置放置在千斤頂擱置框架上，扁擔(dān)梁放置在活動(dòng)頂梁上，活動(dòng)頂梁放置在固定頂梁上。扁擔(dān)梁與活動(dòng)頂梁的位置可以根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)起吊位置的不同來(lái)挪動(dòng)。固定頂梁、承載柱、承載底梁、大跑平衡梁和車架梁組成門架結(jié)構(gòu)整體，各部件通過(guò)螺栓連接，方便運(yùn)輸及拆卸。液壓提升架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 計(jì)算依據(jù)及載荷施加

根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，取載荷組合類別Ⅱ。在正常工作狀況下，考慮基本載荷與附加載荷同時(shí)作用的情況，用于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算；剛度計(jì)算不考慮動(dòng)力效應(yīng)系數(shù)。因此，結(jié)構(gòu)自重系數(shù)取1.1，動(dòng)載荷系數(shù)取1.1。采用許用應(yīng)力法核算液壓提升架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

基本載荷分為結(jié)構(gòu)自重載荷和燃?xì)廨啓C(jī)自重載荷。附加載荷主要為風(fēng)載荷，由于起吊在近乎無(wú)風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行，因此不考慮風(fēng)載荷的影響。

液壓提升架結(jié)構(gòu)采用Q345B材料，其安全系數(shù)和許用應(yīng)力見表1。

表1 Q345B材料的安全系數(shù)和許用應(yīng)力

2.3 液壓提升架結(jié)構(gòu)分析

液壓提升架結(jié)構(gòu)主要由3部分組成，分別是千斤頂擱置框架、活動(dòng)頂梁和門架結(jié)構(gòu)。千斤頂擱置框架按一次超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算，活動(dòng)頂梁按簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)計(jì)算，門架結(jié)構(gòu)分為門架平面和支腿平面2個(gè)平面來(lái)計(jì)算，均按一次超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算。提升架結(jié)構(gòu)采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算。

3 液壓提升架結(jié)構(gòu)的有限元分析

3.1 液壓提升架結(jié)構(gòu)的有限元模型

千斤頂擱置框架的位置隨吊點(diǎn)的位置移動(dòng)，車架梁與門架結(jié)構(gòu)的承載底梁通過(guò)螺栓連接，考慮到提升架結(jié)構(gòu)的受力狀況以及建模的方便性，把需要建立的提升架結(jié)構(gòu)有限元模型分為4部分，如圖2所示。千斤頂擱置框架、活動(dòng)頂梁與門架結(jié)構(gòu)采用BEAM188單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格；車架梁實(shí)體建模，采用SOLID45單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。4部分結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算彼此獨(dú)立，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載情況分別施加不同大小及作用點(diǎn)的載荷。

圖2 提升架結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 有限元結(jié)果分析

圖3～圖6為各部分結(jié)構(gòu)復(fù)合應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，千斤頂擱置框架的最大復(fù)合應(yīng)力為94 MPa，活動(dòng)頂梁結(jié)構(gòu)的最大復(fù)合應(yīng)力為147 MPa，小于表1中的材料復(fù)合應(yīng)力，不需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。門架結(jié)構(gòu)的最大復(fù)合應(yīng)力為209 MPa，發(fā)生在承載柱上部結(jié)構(gòu)處，主要是因?yàn)槌休d柱要承受2個(gè)平面的載荷，為壓彎構(gòu)件，需要考慮其整體穩(wěn)定性，因此需要增大承載柱的截面，增大后的承載柱截面滿足受力要求。車架梁由于腹板需要折彎處理，導(dǎo)致彎板處應(yīng)力集中較大，由有限元計(jì)算的最大復(fù)合應(yīng)力為62 MPa，小于表1中的材料復(fù)合應(yīng)力，不需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。各部分結(jié)構(gòu)的剛度和局部穩(wěn)定性計(jì)算參照GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，經(jīng)過(guò)計(jì)算全部合格，滿足結(jié)構(gòu)的受力要求。

圖3 千斤頂擱置框架結(jié)構(gòu)的復(fù)合應(yīng)力云圖

圖4 活動(dòng)頂梁架結(jié)構(gòu)的復(fù)合應(yīng)力云圖

圖5 門架結(jié)構(gòu)的復(fù)合應(yīng)力云圖

圖6 車架梁結(jié)構(gòu)的復(fù)合應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

(1)由液壓提升架結(jié)構(gòu)的有限元結(jié)果分析可知，結(jié)構(gòu)的最大復(fù)合應(yīng)力發(fā)生在承載柱處。由于承載柱承受2個(gè)平面的載荷，因此應(yīng)對(duì)承載柱的截面進(jìn)行加強(qiáng)。

(2)基于ANSYS的液壓提升架結(jié)構(gòu)有限元分析，為液壓提升架結(jié)構(gòu)分析提供了可靠的計(jì)算依據(jù)，對(duì)液壓提升架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種新的有限元分析方法。鑒于有限元分析軟件ANSYS的可操作性和功能的多樣性，可以參照此方法對(duì)其他形式的提升架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

(3)火力發(fā)電廠燃?xì)廨啓C(jī)的安裝是關(guān)鍵工序，其吊裝方案要嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、合理，既要保證吊裝的安全性，又要考慮實(shí)用性、吊裝方便性等。通過(guò)液壓提升架吊裝燃?xì)廨啓C(jī)，不需要其他輔助設(shè)施，具有工期短、吊裝方便等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)基于ANSYS軟件的有限元分析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)證，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理處進(jìn)行了改進(jìn)，確保了液壓提升架結(jié)構(gòu)的安全性。吊裝實(shí)踐證明，該方案簡(jiǎn)便易行、安全、可靠。

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