有限元分析技術(shù)在大型固定全回轉(zhuǎn)起重機(jī)升級(jí)改造中的運(yùn)用

張榮軍 王俊君

（上海電力機(jī)械有限公司，上海 200245）

某核電站擴(kuò)建工程中，最重設(shè)備為發(fā)電機(jī)定子，約462t。經(jīng)過(guò)對(duì)不同運(yùn)輸方案的比較，以及對(duì)原400t固定式全回轉(zhuǎn)起重機(jī)的整體評(píng)估，方案在設(shè)定起重機(jī)垂直軸力增加150t，調(diào)整傾覆力矩不變的原則下，考慮盡可能利用原機(jī)部件，將400t固定式全回轉(zhuǎn)起重機(jī)主鉤額定起重量提升到530t，滿足擴(kuò)建工程所有大件設(shè)備的吊裝運(yùn)輸要求。

升級(jí)改造主要采用校核計(jì)算的方法，即將升級(jí)改造后的額定起重量530t施加到起重機(jī)上，在最危險(xiǎn)的工況下，對(duì)原起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件、運(yùn)行機(jī)構(gòu)和零部件等進(jìn)行校核計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，對(duì)滿足要求的部件保持不變，無(wú)法滿足要求的部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、制造。本文采用有限元分析的方法，對(duì)改造前后的筒體進(jìn)行校核計(jì)算，來(lái)確定滿足工程新需求的設(shè)計(jì)方案。升級(jí)改造后設(shè)備總圖如圖1所示。

圖1 升級(jí)改造后設(shè)備總圖

1 改造前筒體分析計(jì)算

1.1 計(jì)算工況

工況1：21.5m幅度，工作工況；工況2：10m幅度，非工作工況；工況3：21.5m幅度，靜載試驗(yàn)工況；工況4：21.5m幅度，動(dòng)載試驗(yàn)工況。

1.2 載荷

1.2.1 均布載荷計(jì)算

（1）工作工況起升動(dòng)載系數(shù)：φ2=1.056；試驗(yàn)工況起升動(dòng)載系數(shù)：φ6=1.028。

（2）圓筒自重載荷：ANsYs軟件中圓筒自重以均布載荷即重力加速度的形式加載：az=10.81。

（3）風(fēng)載荷：風(fēng)載荷在程序中給出相應(yīng)的加速度值，由程序自動(dòng)計(jì)算，作用在結(jié)構(gòu)上，如表1所示。

表1 風(fēng)載荷對(duì)應(yīng)的加速度

1.2.2 各工況載荷

各工況載荷如表2所示。

表2 各工況載荷數(shù)值

1.2.3 各工況加載力的換算

各工況加載力的換算如圖2所示。

圖2 傾覆力矩?fù)Q算計(jì)算簡(jiǎn)圖

表3 各工況載荷換算

水平載荷作用在圓筒門架中樞軸孔處，按節(jié)點(diǎn)載荷處理作用在模型上。傾覆力矩按照軌道支撐和反滾輪的位置，處理為垂直載荷，前軌道支撐處載荷等效到內(nèi)外圈處理成為線載荷，如表3所示。

1.3 改造前筒體的計(jì)算結(jié)果

（1）首先選擇在工作工況下對(duì)起重機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，如果驗(yàn)算通過(guò)，則選擇其他工況再進(jìn)行分析計(jì)算，否則說(shuō)明該起重機(jī)原筒體無(wú)法滿足起重機(jī)升級(jí)改造后的使用要求，如圖3所示。

圖3 整體等效應(yīng)力云圖（工作工況）

（2）結(jié)果分析及結(jié)論。結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大為330MPa，圓筒的制造材質(zhì)為Q235-B，其屈服極限是235MPa，產(chǎn)生的部位是圓筒下軌道支撐的三角筋板與法蘭連接處，取設(shè)計(jì)規(guī)定的安全系數(shù)1.34，許用應(yīng)力值為176MPa，最大應(yīng)力數(shù)值已經(jīng)超過(guò)了該數(shù)值，表明圓筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能滿足使用要求。

2 筒體改造方案

針對(duì)筒體，其加強(qiáng)方法如圖4所示。

3 筒體改造后的分析計(jì)算

3.1 載荷

筒體每12°輪壓中，在各工況下，最大受壓載荷為275.6t，最大受拉載荷為174.3t。為簡(jiǎn)化計(jì)算，整個(gè)筒體軌道整體受壓8268t，受拉5229t。

3.2 改造后筒體的計(jì)算結(jié)果

3.2.1 受壓工況

（1）強(qiáng)度驗(yàn)算。忽略應(yīng)力集中造成的局部高應(yīng)力，筒體主結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力如圖5所示，為144MPa，小于該工況許用應(yīng)力，驗(yàn)算通過(guò)。

圖4 筒體改造方法

（2）穩(wěn)定性驗(yàn)算。一階失穩(wěn)模態(tài)如圖6所示，載荷放大系數(shù)為4.9887，大于該工況安全系數(shù)，驗(yàn)算通過(guò)。

圖5 受壓工況模型筒體主結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖6 受壓工況模型一階失穩(wěn)模態(tài)

3.2.2 受拉工況

（1）強(qiáng)度驗(yàn)算。忽略應(yīng)力集中造成的局部高應(yīng)力，筒體主結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力如圖7所示，為91.2MPa，小于該工況許用應(yīng)力，驗(yàn)算通過(guò)。受拉情況無(wú)需進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

由以上的計(jì)算結(jié)果得出，改造后的圓筒滿足計(jì)算要求。

4 結(jié)論

對(duì)原有起重機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，提高其額定起重量，盡可能地利用原起重機(jī)的部件進(jìn)行重新修改設(shè)計(jì)，滿足工程建設(shè)新的需求，可以大大節(jié)省起重機(jī)的制造、安裝成本，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯而易見。本文通過(guò)總體方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和利用有限元分析的技術(shù)手段，對(duì)筒體的改造進(jìn)行分析計(jì)算，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為起重機(jī)升級(jí)改造方案的具體實(shí)施提供了強(qiáng)有力的技術(shù)理論支持。

圖7 受拉工況模型筒體主結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖