預(yù)裝式變電站預(yù)制艙吊具設(shè)計與有限元分析

燕飛飛 王說說 許天元

（無錫固亞德電力設(shè)備有限公司，江蘇無錫214100）

0 引言

箱式變電站，又叫預(yù)裝式變電所或預(yù)裝式變電站，是一種高壓開關(guān)設(shè)備、配電變壓器和低壓配電裝置按一定接線方案排成一體的工廠預(yù)制戶內(nèi)、戶外緊湊式配電設(shè)備，即將變壓器降壓、低壓配電等功能有機(jī)地組合在一起的可移動鋼結(jié)構(gòu)箱。我國于20世紀(jì)70年代后期，從法國、德國等國引進(jìn)和仿制了箱式變電站，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）占地面積小，適合在一般城市負(fù)荷密集地區(qū)、農(nóng)村地區(qū)、住宅小區(qū)等安裝，有利于高壓延伸，減小低壓線路的供電半徑，降低線損；（2）減少土建基礎(chǔ)費(fèi)用，可以工廠化生產(chǎn)，縮短現(xiàn)場施工周期，投資較少，收效明顯；（3）體積小，重量輕，安裝移動方便等。

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展，對預(yù)裝式變電站預(yù)制艙的需求越來越旺盛，預(yù)裝式變電站預(yù)制艙的體積和重量也越來越大。目前，國內(nèi)已有很多家設(shè)計、生產(chǎn)預(yù)裝式變電站預(yù)制艙的企業(yè)，產(chǎn)品重量從10 t到40 t不等，甚至較重的重量已超過80 t。吊具是連接吊鉤與被吊物的關(guān)鍵部件，在被吊物跨距較大時，若不采用吊具而直接用鋼絲繩與被吊物連接，鋼絲繩產(chǎn)生的水平力是巨大的，將直接導(dǎo)致被吊物由于剛性不夠而產(chǎn)生損傷[1]，因此，一般需要設(shè)計專用吊具進(jìn)行預(yù)裝式變電站預(yù)制艙的吊裝。在工程實(shí)踐當(dāng)中，吊具設(shè)計不合理造成的安全事故時有發(fā)生，通常會發(fā)生變形較大問題、強(qiáng)度破壞問題，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)生失穩(wěn)問題。

為杜絕安全事故的發(fā)生、避免經(jīng)濟(jì)損失，必須對預(yù)裝式變電站預(yù)制艙吊具進(jìn)行力學(xué)設(shè)計與分析。本文針對某背靠背槽鋼梁式吊具出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析，指出了其薄弱環(huán)節(jié)和設(shè)計、吊裝過程中存在的問題，最后通過有限元方法對其進(jìn)行了加載驗(yàn)證。

1 預(yù)裝式變電站預(yù)制艙吊具介紹

預(yù)裝式變電站預(yù)制艙的起吊現(xiàn)場情況如圖1、圖2所示，圖1為車間室內(nèi)行車吊裝，圖2為室外吊車吊裝。

圖1 室內(nèi)吊裝（2個吊具）

圖2 室外吊裝（1個吊具）

起重吊鉤鉤住吊具上兩根具有一定夾角的鋼絲繩，鋼絲繩通過卸扣連接在吊具兩端。吊具橫梁下面四根鋼絲繩，上面用卸扣與橫梁下孔連接，四根鋼絲繩下端分別套在箱體專用吊桿上。

某吊具結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用兩根20號槽鋼背靠背組成，中間以厚度為25 mm的鋼板間隔焊接而成。吊具長度4 400 mm，吊裝重量40 t，截面慣性矩為Ix=9 028 954.74 mm4，Iy=35 393 074.35 mm4，吊鉤處鋼絲繩夾角為120°，吊裝過程中發(fā)生了吊具失穩(wěn)問題，如圖4所示。

圖3 某槽鋼吊具結(jié)構(gòu)

圖4 某吊具失穩(wěn)問題

2 吊具受力分析

針對上述吊具問題進(jìn)行受力分析，上、下鋼絲繩與吊具的連接均為卸扣連接，屬于鉸鏈連接，因此鋼絲繩在鉸接處只能傳遞拉力，不能傳遞彎矩。對于吊具來說，只受軸向力壓力作用（由于吊耳不在軸線上，實(shí)際上還存在一個小量的彎矩，在斜向上鋼絲繩的拉力作用向軸線的延長與軸線的交點(diǎn)，該交點(diǎn)與下鋼絲繩不交于一點(diǎn)，這里先忽略該彎矩），受力情況如圖5所示。

圖5 吊具受力示意圖

采用隔離體法進(jìn)行分析[2]：

對于A點(diǎn)：

由式（2）可知，吊具受到的軸向壓力是上部鋼絲繩夾角一半的正切函數(shù)，由正切函數(shù)性質(zhì)可知，隨著夾角α逐漸增大，一開始軸向壓力增加較慢，但當(dāng)超過30°，軸向壓力將急劇增加，即鋼絲繩夾角2α超過60°以后，軸力將迅速增加，如圖6所示。對于該吊具，吊裝重量40 t，當(dāng)鋼絲繩夾角為60°時，α=30°，吊具軸向壓力NBC=113 160.7 N；當(dāng)鋼絲繩夾角為120°時，α=60°，吊具軸向壓力NBC=339 481.9 N。鋼絲繩夾角為120°時的軸向壓力是60°時的3倍。

圖6 吊具軸向壓力隨鋼絲繩夾角變化曲線

以下對該吊具進(jìn)行穩(wěn)定性校核[3]：

吊具長度l=4 400 mm，吊裝重量40 t，截面慣性矩為Ix=9 028 954.74 mm4（槽鋼開口方向），Iy=35 393 074.35 mm4，截面積A=5 727.9 mm2，材料為Q235，E=200 GPa，a=304 MPa，b=1.12 MPa，σp=200 MPa，σs=235 MPa，可以由下式計算桿的柔度λ、λ0和λp：

得：λx=110.8，λy=56.0，λp=99.3，λ0=61.6?？芍趚向，即沿槽鋼開口方向，該吊具屬于大柔度桿，可能會發(fā)生穩(wěn)定性問題。進(jìn)一步采用下式計算失穩(wěn)臨界載荷：

沿x向：Pcr=920 580 N；沿y向，屬于短粗桿，不會發(fā)生失穩(wěn)。

根據(jù)GB/T 26079—2010《梁式吊具》7.4節(jié)要求[4]，受軸向壓力的梁體其穩(wěn)定安全系數(shù)為5.0，要求設(shè)計的吊具的失穩(wěn)臨界載荷應(yīng)大于5倍的軸向力。

由前面計算的軸向力知：當(dāng)鋼絲繩夾角為60°時，α=30°，吊具軸向壓力的5倍為565 803 N＜Pcr，不會失穩(wěn)。

當(dāng)鋼絲繩夾角為120°時，α=60°，吊具軸向壓力5倍為1 697 409.5 N＞Pcr，可能會發(fā)生失穩(wěn)，實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)。此時雖然軸力本身NBC=339 481.9 N不超過失穩(wěn)臨界載荷Pcr，但根據(jù)規(guī)范要求需要5倍的安全系數(shù)，以防范實(shí)際吊裝過程中可能發(fā)生的小量的受力歪斜、吊繩不對稱等問題。從這個實(shí)際案例可見，對于穩(wěn)定性問題，足夠的安全系數(shù)很重要，同時吊裝鋼絲繩夾角應(yīng)控制在60°以內(nèi)。

3 有限元驗(yàn)證

根據(jù)壓桿穩(wěn)定性理論，兩端鉸支長度為L的桿的臨界失穩(wěn)載荷與一端固支、一端鉸支、長度為L/2的桿的臨界失穩(wěn)載荷等效。對于該吊具建立有限元模型，建立一半模型進(jìn)行分析，采用六面體單元劃分網(wǎng)格，共8 769個單元，一端固定約束，一端自由加載荷，有限元模型如圖7、圖8所示，兩個方向的臨界失穩(wěn)載荷如圖9、圖10所示。

圖7 吊桿有限元模型

圖8 約束和載荷

有限元計算所得的x向臨界失穩(wěn)載荷P=832 850 N，小于理論計算值920 580 N，這主要是由于兩個槽鋼背靠背間隔焊接，理論計算時忽略了這點(diǎn)引起的。

4 吊具的改進(jìn)

由第3節(jié)分析可知，槽鋼背靠背焊接而成的吊具，橫截面的兩個方向上的失穩(wěn)臨界載荷存在很大差距。在槽鋼開口方向（x向）更易發(fā)生失穩(wěn)，主要原因是開口方向的慣性矩較小，因此可以采用兩個方向慣性矩相當(dāng)或相等的截面形式提高臨界失穩(wěn)載荷。可以考慮采用方管鋼型材對上述吊具進(jìn)行改進(jìn)。如圖11所示，選用200 mm×200 mm×7 mm的Q235方管鋼進(jìn)行設(shè)計，分別計算桿的柔度λ、λ0和λp：λ=λx=λy=53.6，λp=99.3，λ0=61.6，λ＜λ0，屬于短粗桿，設(shè)計上不會失穩(wěn)，并采用有限元對其進(jìn)行強(qiáng)度校核，如圖12、圖13所示，最大應(yīng)力133.61 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖9 沿x向臨界失穩(wěn)載荷

圖10 沿y向臨界失穩(wěn)載荷

圖11 改進(jìn)后的吊具

圖13 應(yīng)力云圖（133.61 MPa）

5 結(jié)語

本文針對某預(yù)裝式變電站預(yù)制艙背靠背槽鋼梁式吊具出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析，可以得到以下結(jié)論：吊具計算時需考慮壓桿失穩(wěn)問題，并留夠足夠的安全系數(shù)；吊具受到軸向壓力作用，壓力隨上吊鉤處鋼絲繩夾角的增大將迅速增大，且服從正切函數(shù)關(guān)系，實(shí)際操作過程中需嚴(yán)格控制鋼絲繩夾角，最好在60°以內(nèi)；吊具設(shè)計時，應(yīng)盡量設(shè)計成兩個方向等慣性矩的截面，以提升臨界失穩(wěn)載荷。