特大型輸電線路大跨越塔組塔傾斜式升降機(jī)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)快速校核

趙 俊，張仁強(qiáng)，夏順俊，戴如章

(江蘇省送變電有限公司，江蘇 南京 210028)

500kV江陰長江第二跨越工程是華東電網(wǎng)500 kV輸變電網(wǎng)架的重要組成部分，是華東、江蘇“北電南送”的咽喉要道工程；500 kV江陰長江第二跨越塔全高385 m，跨越塔高度高、跨距大，施工環(huán)境復(fù)雜，高塔組立、導(dǎo)線架設(shè)、附件安裝等工作均在高空進(jìn)行，施工技術(shù)難度大。特大型輸電線路大跨越塔組塔建設(shè)不同于常規(guī)輸電線路大跨越鐵塔，跨塔地處重大干流水系區(qū)域，施工難度大，影響安全的因素多，需要合理校核作業(yè)人員運(yùn)輸升降機(jī)結(jié)構(gòu)，保證人員建設(shè)工作的安全性。

本文以500 kV江陰長江第二跨越的特大型輸電線路大跨越塔組塔工程為背景，對SCQ90式作業(yè)人員運(yùn)輸升降機(jī)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行詳細(xì)研究，并結(jié)合解析法和結(jié)構(gòu)化等多維度簡化策略，提出了該升降機(jī)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度快速計(jì)算方法，得到特大型輸電線路大跨越塔組塔傾斜式升降機(jī)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)校核結(jié)論及相關(guān)工程建議。

1 升降機(jī)結(jié)構(gòu)方案介紹

SCQ90型號無對重中速傾斜式升降機(jī)安裝在全高為385 m的500 kV江陰長江第二跨越的跨越塔上，用于運(yùn)輸施工作業(yè)人員上下工作面，以有效提高作業(yè)工效，縮短非工作時(shí)間，降低安全隱患，進(jìn)而提高組塔、架線整體施工效率效益。升降機(jī)主要參數(shù)：最大提升高度為332 m；傾斜角為7.4°；額定提升速度為0～60 m/min；額定載重量為900 kg；吊籠質(zhì)量為1 700 kg。

該升降機(jī)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)軌架與輸電塔固定，起到了整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固及吊籠裝置導(dǎo)引功能?？紤]導(dǎo)軌架的實(shí)際固定由附墻架完成，因此本文討論的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)軌及固定附墻架。

圖1 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of guide rail

導(dǎo)軌架沿大跨越塔主支腿從下往上安裝，傾斜角7.4°，與主支腿中心距2.2 m，架設(shè)長度342 m，共227節(jié)，其中基礎(chǔ)節(jié)1節(jié)(無齒條)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)225節(jié)，頂節(jié)(無齒條)1節(jié)。

附墻架采用萬向節(jié)式調(diào)節(jié)桿，連接座焊接于跨越塔主支腿上，附墻間距4.5 m。0—73道附墻采用調(diào)節(jié)桿式附墻，上中下3層布置，每道附墻共4根調(diào)節(jié)桿。其中，短連桿2根，長連桿2根。

2 導(dǎo)軌集中載荷計(jì)算

導(dǎo)軌架三維模型如圖2所示。

圖2 導(dǎo)軌架及其吊籠負(fù)載三維模型Fig.2 Three dimensional model of guide rail frame and its hanging cage load

由圖2可以看到，若未進(jìn)行預(yù)處理而直接對整個(gè)模型進(jìn)行有限元分析，則計(jì)算量大，短時(shí)間內(nèi)無法完成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析工作。其中導(dǎo)軌架和附墻架結(jié)構(gòu)較為簡單，可以采用梁結(jié)構(gòu)模型模擬，但是由于導(dǎo)軌架長度大、附墻架多、吊籠結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)仿真模型精確近似[1-3]。對吊籠支撐點(diǎn)受力解析計(jì)算，以集中載荷的方式施加于導(dǎo)軌上，從而明顯簡化有限元計(jì)算模型。

吊籠受力如圖3所示，其中A、B、C、D為吊籠與導(dǎo)軌連接的4個(gè)滑塊裝置，N為使吊籠運(yùn)行的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

本文將分別對運(yùn)動(dòng)件、載重以及風(fēng)載3方面載荷進(jìn)行計(jì)算，按照疊加定理得到吊籠實(shí)際載荷大小。

(1)運(yùn)動(dòng)件載荷。運(yùn)動(dòng)件包括吊籠、傳動(dòng)系統(tǒng)等。其集中質(zhì)心位于靠近導(dǎo)軌架的位置。

側(cè)面力平衡方程為：

(1)

式中，G0為吊籠總重力；α為導(dǎo)軌偏斜角：I為AB點(diǎn)和CD點(diǎn)在垂直面的直線距離；a1、a2分別為重心與CD、AB線在x方向的距離，a1=424 mm，a2=650 mm。令d1，d2表示質(zhì)心距A、B兩點(diǎn)的z方向距離，有d1=364 mm，d2=298 mm。最后根據(jù)水平面位置關(guān)系，得到A點(diǎn)受力大?。?/p>

(2)

圖3 吊籠受力示意Fig.3 Stress diagram of hanging cage

類似地，各點(diǎn)受力大小為FBO=2014N、FCO=2 527 N、FDO=3 087 N、FNO=16 030 N。

(2)載重載荷。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可知吊籠底板最大載荷密度為4.0 kN/m2。根據(jù)額定載荷900 kg測算，可認(rèn)為最嚴(yán)重情況載重分布面積小于吊籠底板面積2.25 m2?？紤]到升降梯頂部運(yùn)輸和安裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)等其他貨物，為了增加保險(xiǎn)系數(shù)，確定吊籠運(yùn)行時(shí)對總體結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的情況為，所有載重均集中在遠(yuǎn)離導(dǎo)軌架的1/4角落處。

垂直面的力平衡方程為:

(3)

式中，G1為載重，G1=mg，8 820 N；a3，a4分別為載重重心與CD、AB線在x方向的距離，有a3=1 425 mm，a4=1 650 mm；令d3表示載重質(zhì)心距整個(gè)吊籠重心兩點(diǎn)的方向距離，有d3=750 mm。

類似地，根據(jù)水平面位置關(guān)系，得到各點(diǎn)力的大小為FA1=-4 589 N、FB1=11 310 N、FC1=-5 313 N、FD1=13 095 N、FN1=8 754 N。

(3)風(fēng)載荷。根據(jù)導(dǎo)軌對吊籠的支撐方式，可初步判定吊籠受側(cè)面風(fēng)(分為z軸正、負(fù)兩方向)和正面風(fēng)(x軸正方向)為最危險(xiǎn)情況。根據(jù)吊籠側(cè)面和正面迎風(fēng)面積不同，可計(jì)算得到側(cè)面最大風(fēng)載Fwz=9 480 N、正面最大風(fēng)載Fwx=11 540 N。本文將對上述3種情況進(jìn)行分析。

需要注意的是當(dāng)?shù)趸\承受側(cè)向風(fēng)時(shí)，由于吊籠滑塊處存在側(cè)向支撐輪，能夠防止吊籠側(cè)翻。其中垂直平面內(nèi)風(fēng)載的等效受力點(diǎn)投影到AB、CD連線上并與其距離分別為d4，d5，有d4=1 193 mm，d5=677 mm。根據(jù)吊籠各點(diǎn)空間位置，可以得到不同風(fēng)向情況下的載荷計(jì)算結(jié)果，見表1和表2。

表1 吊籠垂直受風(fēng)載情況Tab.1 Vertical wind load of hanging cage N

表2 吊籠側(cè)向受風(fēng)載情況Tab.2 Lateral wind load of hanging cage N

(4)綜合載荷表示。根據(jù)上述計(jì)算，可以綜合得到各滑塊和齒輪受力表示：

(4)

式中，G2為風(fēng)載綜合載荷。

各系數(shù)表征了不同情況下外界作用力對滑塊和齒輪作用力的影響程度，見表3。

表3 綜合載荷系數(shù)表Tab.3 Comprehensive load coefficient

3 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

為了加快對導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算與校核速度，本文采用解析法與有限元法結(jié)合的精確計(jì)算方法，將上述集中載荷求解結(jié)果直接施加于三維模型中，忽略吊籠結(jié)構(gòu)，直接對導(dǎo)軌裝置強(qiáng)度進(jìn)行靜載荷及疲勞載荷校核。此外在對導(dǎo)軌架進(jìn)行靜載強(qiáng)度校核時(shí)，由于導(dǎo)軌架所受應(yīng)力沿高度呈線性分布[4]，對頂部和底部導(dǎo)軌架強(qiáng)度進(jìn)行校核即可，從而明顯提高核算速度。

3.1 頂部導(dǎo)軌架強(qiáng)度校核

首先確定許用應(yīng)力值。導(dǎo)軌架主管材料為Q355B鋼材，導(dǎo)軌架其他材料使用Q235鋼材。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得到的兩種最危險(xiǎn)載荷情況，屈服強(qiáng)度對應(yīng)的許用應(yīng)力見表4。

表4 不同工況導(dǎo)軌架安全系數(shù)和許用應(yīng)力值Tab.4 Safety factor and allowable stress value of guide rail frame under different working conditions

然后對計(jì)算應(yīng)力值進(jìn)行求解。根據(jù)圖4所示，導(dǎo)軌架應(yīng)力最大的部位在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的中部主管，從而確定在不同的載荷組合下的最大應(yīng)力。

(1)吊籠在附墻架中心：沖擊系數(shù)為1、1.36、2.5，對應(yīng)的最大應(yīng)力為64.86、79.45，163.34 MPa。

圖4 導(dǎo)軌架應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of guide rail frame

(2)吊籠在兩個(gè)附墻架之間：沖擊系數(shù)為1、1.36、2.5。對應(yīng)的最大應(yīng)力分別為85.71、104.14、163.66 MPa。

綜上所述，對于上述兩種載荷情況，主管及其他部位的許用應(yīng)力大于計(jì)算最大應(yīng)力(表5)，符合要求。

表5 不同工況頂部導(dǎo)軌架許用應(yīng)力與計(jì)算最大應(yīng)力Tab.5 Allowable stress and calculated maximum stress of top guide rail frame under different working conditions

3.2 底部導(dǎo)軌架強(qiáng)度校核

底部導(dǎo)軌架不承受頂部導(dǎo)軌架上的風(fēng)載，但是承受整個(gè)導(dǎo)軌架結(jié)構(gòu)的重力。包括標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、附墻架、滑觸線等在內(nèi)的不運(yùn)動(dòng)件的靜載荷為495.31 kN，其中底部標(biāo)準(zhǔn)節(jié)承受部分附墻架的載荷，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)承受1/2的附墻架載荷，則靜載荷為436.34 kN。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，取無風(fēng)載情況的吊籠、載重物和風(fēng)載在不同沖擊系數(shù)下的應(yīng)力，和導(dǎo)軌架自身重力引起的應(yīng)力相加，得到計(jì)算應(yīng)力值。底部導(dǎo)軌架的最大應(yīng)力計(jì)算見表6。

表6 底部導(dǎo)軌架在不同的載荷組合下最大應(yīng)力Tab.6 Maximum stress of bottom guide rail frame under different load combinations

從上述對主管的強(qiáng)度計(jì)算可知，對于工作狀態(tài)，在不同載荷情況下許用應(yīng)力大于計(jì)算最大應(yīng)力(表7)，符合要求。

表7 不同工況下底部導(dǎo)軌架許用應(yīng)力與計(jì)算最大應(yīng)力Tab.7 Allowable stress and calculated maximum stress of bottom guide rail frame under different working conditions

3.3 導(dǎo)軌架疲勞強(qiáng)度校核條件

該傾斜式升降電梯設(shè)計(jì)壽命10年、單次工作循環(huán)時(shí)間10 min，確定導(dǎo)軌架使用等級為B5[5-6]。具體參數(shù)如下：單次工作循環(huán)時(shí)間600 s；每小時(shí)工作循環(huán)次數(shù)為6次；年使用率為0.5；1年內(nèi)使用小時(shí)數(shù)為4 392 h；年工作循環(huán)次數(shù)為26 352；設(shè)計(jì)壽命為10年；設(shè)計(jì)壽命內(nèi)工作循環(huán)次數(shù)為263 520次；升降機(jī)使用等級為U5中等頻繁使用；載荷級別為Q1經(jīng)常運(yùn)輸額定載荷；升降機(jī)整機(jī)的工作級別為A7；導(dǎo)軌架使用等級為B5。

對導(dǎo)軌架各部位疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核，計(jì)算導(dǎo)軌架底部、1/4高度、1/2、3/4高度、頂部的疲勞許用應(yīng)力，結(jié)果見表8。

由表8可以看到，疲勞許用應(yīng)力大于計(jì)算最大使用應(yīng)力，符合要求。綜上所述，根據(jù)上述快速計(jì)算結(jié)果，可以得到該導(dǎo)軌架在靜載荷和疲勞載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足實(shí)際工程使用要求。

表8 導(dǎo)軌架各部位疲勞強(qiáng)度判別結(jié)論Tab.8 Discrimination conclusion of fatigue strength of each part of guide rail frame

4 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)機(jī)械穩(wěn)定性分析

除載荷分析外，導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性也決定了其運(yùn)行安全性，需要對其進(jìn)行模態(tài)分析[7]。模態(tài)分析的目的主要在于分析結(jié)構(gòu)部分或整體的共振頻率，以避免電機(jī)或運(yùn)動(dòng)部件在工作時(shí)處于某個(gè)結(jié)構(gòu)的共振頻率附近，從而造成結(jié)構(gòu)的振動(dòng)及失效[8]。下面分別從單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、單個(gè)導(dǎo)軌架單元以及整個(gè)導(dǎo)軌架進(jìn)行模態(tài)分析。由于結(jié)構(gòu)模型逐漸復(fù)雜，需要采用不同結(jié)構(gòu)化策略進(jìn)行研究[9-10]。

4.1 單節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模型分析

對單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行模態(tài)分析，得到前十階模態(tài)頻率(表9)。

表9 單節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模態(tài)頻率Tab.9 Modal frequencies of single standard section

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的第1、第2階模態(tài)陣型如圖5所示，分別為151.45 Hz和174.48 Hz，以整體結(jié)構(gòu)的方向和方向振動(dòng)為主。第3—第10 階模態(tài)頻率均分布在180～200 Hz，以支撐結(jié)構(gòu)的鋼管局部振動(dòng)為主，對系統(tǒng)的影響較小。

4.2 導(dǎo)軌架單元分析

考慮導(dǎo)軌架的實(shí)際固定由附墻架完成，因此更一般地，對導(dǎo)軌架單元進(jìn)行模態(tài)分析。1個(gè)導(dǎo)軌架單元包括2個(gè)附墻架及之間的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。由于計(jì)算模型較復(fù)雜，需要對其進(jìn)行簡化。

升降機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的附墻架與導(dǎo)軌架均采用空間桁架結(jié)構(gòu)，并且均是角鋼和槽鋼焊接而成的[11]，那么針對這種空間桁架結(jié)構(gòu)，采用梁單元來模擬和建模與實(shí)際情況較為吻合。本文采用Beam188梁模型代替實(shí)際導(dǎo)軌中細(xì)梁結(jié)構(gòu)，用 MASS21單元來整體模擬吊籠。前十階模態(tài)頻率見表10。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模態(tài)分析Fig.5 Modal analysis of standard section

表10 導(dǎo)軌架單元模態(tài)頻率Tab.10 Modal frequency of guide rail frame unit

其中一階模態(tài)響應(yīng)頻率為8.608 4 Hz，二階模態(tài)響應(yīng)頻率為27.641 Hz，從模態(tài)圖中可以看到主要是導(dǎo)軌架單元的振動(dòng)引起的導(dǎo)軌架整體在方向的平移模態(tài)，實(shí)際工況下由于導(dǎo)軌架底端固定可以忽略。其余模態(tài)集中在30～80 Hz，與導(dǎo)軌架的整體振動(dòng)有關(guān)，需要避免。導(dǎo)軌整體頻率見表11。

表11 導(dǎo)軌整體頻率Tab.11 Overall frequency of guide rail

圖6 導(dǎo)軌架單元模態(tài)分析Fig.6 Modal analysis of guide rail frame element

4.3 導(dǎo)軌整體模態(tài)分析

實(shí)際情況中，整個(gè)升降機(jī)導(dǎo)軌架是作為一個(gè)整體運(yùn)行的。相比較于一般的結(jié)構(gòu)單元，整體結(jié)構(gòu)會受到2個(gè)方面的影響：①多個(gè)單元結(jié)構(gòu)組合下引起的共振頻率降低；②多個(gè)單元結(jié)構(gòu)帶來更多的固定支撐以及連接處的剛度增加，則會導(dǎo)致共振頻率的升高。為了明確整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)變化，需要對導(dǎo)軌架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析。

但因?yàn)閷?dǎo)軌架結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，如用前面的方法將無法進(jìn)行建模和計(jì)算，需要使用新的簡化方法。將每根桿結(jié)構(gòu)簡化為梁單元，可極大地減少計(jì)算量。整體結(jié)構(gòu)低階模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率有所下降，一階頻率為2.419 6 Hz，二階頻率為3.156 1 Hz，其余頻率在5.6～6.0 Hz。進(jìn)一步地，一階模態(tài)、二階模態(tài)振動(dòng)均發(fā)生在導(dǎo)軌架的頂端，即最上端的兩節(jié)不受附墻架約束的自由端的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上，而其余模態(tài)頻率的產(chǎn)生均是導(dǎo)軌架整體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。因此，在具體安裝時(shí)，需要在最頂端的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上安裝附墻架，以避免引起結(jié)構(gòu)在低頻率激勵(lì)下的共振。

圖7 導(dǎo)軌整體模態(tài)分析Fig.7 Overall modal analysis of guide rail

5 結(jié)論與建議

本文提出了特大型輸電線路大跨越塔組塔升降機(jī)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)快速校核方法，相較于傳統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元方法，可明顯加快導(dǎo)軌裝置結(jié)構(gòu)計(jì)算過程，具有理想的計(jì)算精確度，在實(shí)際工程中值得推廣。通過對升降機(jī)導(dǎo)軌架結(jié)構(gòu)的分析，可以做出以下結(jié)論：①風(fēng)載是重要的載荷來源，需要考慮風(fēng)載方向的不確定性對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響；②升降機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案總體滿足要求。

結(jié)合研究對象，本文提出了相應(yīng)的工程改進(jìn)建議如下：①升降機(jī)底部標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的最大應(yīng)力接近于疲勞許用應(yīng)力。建議對所有標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建立身份識別標(biāo)志，以便跟蹤、管理其在整個(gè)壽命期的工作狀態(tài)；②建議加強(qiáng)對磨損、腐蝕的監(jiān)測，減少操作、裝配和拆時(shí)的偶發(fā)事故，杜絕超載，進(jìn)行良好保養(yǎng)，監(jiān)控升降機(jī)有效使用壽命期內(nèi)的工作狀態(tài)；③對傳動(dòng)系統(tǒng)中5 Hz以上的激勵(lì)振動(dòng)源進(jìn)行隔震處理；④加強(qiáng)風(fēng)速監(jiān)測，建議在地面風(fēng)速超過10 m/s時(shí)，限制高空運(yùn)行，暫停導(dǎo)軌加長施工作業(yè)。