水電站大懸臂門式啟閉機(jī)門架有限元分析

楊子集

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州450003）

1 主要技術(shù)參數(shù)

QM2500/630/100kN雙向門式啟閉機(jī)門機(jī)設(shè)計(jì)總高約33.13 m，其中門架高23.13 m，門機(jī)跨度為15.5 m，懸臂端總長15 m，大車基距為11 m。主小車自重1 160 kN，主起升荷載2 500 kN，攜帶載荷1 200 kN；副小車自重460 kN，副起升荷載630 kN，攜帶載荷400 kN。

根據(jù)啟閉機(jī)不同工況條件，通過三維有限元對整個(gè)門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.1 模型單元的選擇

門架首先建立三維有限元模型，如圖1所示。采用線彈性有限元法，把門架離散為板單元三維彈性結(jié)構(gòu)，所有的鋼板構(gòu)件采用板單元模擬。

圖1 門架有限元模型

1.2 邊界條件

在總體坐標(biāo)系下建立三維有限元模型時(shí)，定義垂直大車軌道方向?yàn)閄向，重力方向?yàn)閅向，大車運(yùn)行方向?yàn)閆向。啟閉機(jī)門架下橫梁與大車行走機(jī)構(gòu)連接座的支承鉸接4個(gè)點(diǎn)受到重力方向（Y）的支撐約束，根據(jù)該門式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)型式為：根據(jù)門架上下游結(jié)構(gòu)對稱以及左側(cè)懸臂的受力特點(diǎn)，取約束使門架結(jié)構(gòu)成為單側(cè)的一次超靜定結(jié)構(gòu)。

1.3 荷載和工況

計(jì)算荷載主要包括主副起升小車自重、門架自重、起吊荷載及風(fēng)荷載。詳述如下：①門架自重按照設(shè)計(jì)材料選用鋼板密度7.8×10-6g/mm3；②起升機(jī)構(gòu)起吊載荷后作為集中力分4處加在門架結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)梁內(nèi)筋板上，其中主起升自重840 kN，副起升自重630 kN；③垂直于大車軌道方向等效風(fēng)荷載以集中力形式加載在主梁上，平行于大車軌道方向等效風(fēng)載荷以集中力形式加載在主梁上；④大車制動(dòng)力以集中力形式加載在門架結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)梁內(nèi)筋板上；⑤小車制動(dòng)力以集中力形式加載在門架結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)梁內(nèi)筋板上。

按照啟閉機(jī)的實(shí)際工作情況，綜合考慮了各種荷載的不利組合，本次計(jì)算主要分析了以下6種工況條件下啟閉機(jī)的應(yīng)力分布和變形情況，如表1所示。

表1 6種工況條件下啟閉機(jī)的應(yīng)力分布和變形情況

表1（續(xù)）

1.4 結(jié)構(gòu)尺寸與材料特性

啟閉機(jī)根據(jù)實(shí)際使用工況，門架主梁、端梁、門腿、中橫梁、下橫梁選用箱型梁，結(jié)構(gòu)的外形尺寸及構(gòu)件的尺寸按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)選取。門架主結(jié)構(gòu)材料根據(jù)業(yè)主和規(guī)范要求選用Q345B鋼。計(jì)算時(shí)，取彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，最大板厚20 mm，許用應(yīng)力220 MPa。

2 結(jié)果分析

6種工況條件下門架的有限元分析結(jié)果如圖2所示。在工況1的條件下，門架主梁所受應(yīng)力值最大，最大折算應(yīng)力值為114 MPa，豎向（Y向）撓度最大值為7.43 mm。在工況4的條件下，門架主梁所受應(yīng)變值最大，最大折算應(yīng)力值為108 MPa，主梁發(fā)生彎曲變形，懸臂端最大豎向（Y向）撓度最大值為36.7 mm。在工況6大車制動(dòng)的條件下，水平方向最大變形為6.7 mm。根據(jù)有限元分析結(jié)果表明：在工況1時(shí)，門架主梁所承受的應(yīng)力值最大為為114 MPa，小于許用應(yīng)力220 MPa；在工況4時(shí)，門架懸臂梁豎向（Y向）應(yīng)變值最大為36.7 mm，小于許用41.43 mm；在工況6時(shí)，門架不平方向變形最大為6.7 mm，小于許用34.695 mm。門架主要構(gòu)件的大部分板件的折算應(yīng)力計(jì)算值在114 MPa以下，均小于鋼材許用應(yīng)力220 MPa，撓度也小于許用值。

圖2 6種工況條件下門架的有限元分析結(jié)果

3 結(jié)論

本次分析了啟閉機(jī)門架在各種工況條件下主要構(gòu)件的應(yīng)力分布值和變形結(jié)果。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，強(qiáng)度和剛度均能滿足要求，但根據(jù)應(yīng)力值的大小分布，下一步將通過對門架結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，達(dá)到啟閉機(jī)的最優(yōu)方案。