唐洪志
(中國(guó)十九冶集團(tuán)有限公司,四川成都610031)
在現(xiàn)代軋鋼車間設(shè)計(jì)中,車間內(nèi)一般配置有安裝、檢修、換輥用的普通橋式起重機(jī),其起重量一般根據(jù)安裝、檢修的最重部件或更換軋輥組合件的重量確定。在實(shí)際工程中,建設(shè)單位為了節(jié)約投資,通常只考慮換輥組合件的檢修的最大重量。軋機(jī)牌坊一般為板帶熱軋車間的最重部件,安裝后一般不會(huì)產(chǎn)生檢修問(wèn)題,而牌坊重量往往大于其它需要經(jīng)常檢修、更換的設(shè)備的重量。因此,在板帶熱軋車間安裝工程中,往往遇到軋機(jī)牌坊安裝時(shí)無(wú)法直接利用單臺(tái)橋式起重機(jī)直接吊裝,并且其牌坊高度可能超過(guò)車間地面至橋式起重機(jī)的軌面高度。這時(shí),就不能利用簡(jiǎn)單的雙機(jī)抬吊方式安裝軋機(jī)牌坊,而需要利用如圖1所示的雙梁式吊裝架雙機(jī)抬吊。雙梁式吊裝架設(shè)計(jì)時(shí)需要確定的參數(shù)較多,包括縱梁的截面參數(shù)、橫梁的截面參數(shù)、縱梁與橫梁連接螺栓參數(shù)、縱梁焊縫參數(shù)、橫梁焊縫參數(shù),因此計(jì)算過(guò)程較為繁雜。為達(dá)到保證吊裝安全、降低安裝成本,筆者根據(jù)本公司近年來(lái)的安裝經(jīng)驗(yàn),在MS Excel中建立計(jì)算模型,能夠快速直觀的確定上述各項(xiàng)參數(shù),并快速實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
圖1 雙梁式吊裝架
采用雙梁式吊裝架時(shí),其主要的已知數(shù)據(jù)包括:(1)牌坊的重量Qp(t);(2)牌坊的窗口寬度Bp(mm);(3)牌坊的厚度tp(mm);(4)牌坊的柱截面寬度(mm);(5)兩臺(tái)行車的主鉤額定起重量QD1、QD2(t);(6)兩臺(tái)行車靠攏時(shí)主鉤之間的最小水平距離L(mm)。
通過(guò)上述參數(shù),并依據(jù)經(jīng)驗(yàn),可以設(shè)計(jì)采用雙梁式吊裝架利用車間內(nèi)的兩臺(tái)行車雙機(jī)抬吊安裝軋機(jī)牌坊。由于手工計(jì)算過(guò)程相當(dāng)繁瑣,并對(duì)吊裝架設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí),手工計(jì)算量成倍加大,所以在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),技術(shù)人員常常是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定吊裝架的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行驗(yàn)算,如果滿足要求,就不會(huì)對(duì)吊裝梁進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,造成了一定程度的材料浪費(fèi)。
本文主要采用Excel建立計(jì)算模型,根據(jù)假定的吊裝架系統(tǒng)設(shè)定其各項(xiàng)參數(shù),以驗(yàn)算流程逐步建立計(jì)算公式,推導(dǎo)出雙梁式吊裝架系統(tǒng)各部件的安全系數(shù)。然后在Excel中建立帶有函數(shù)的表格,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在Excel表格中輸入各部件的參數(shù),Excel會(huì)自動(dòng)計(jì)算出各部件的安全系數(shù),根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果快速調(diào)整各部件的參數(shù),從而快速確定經(jīng)過(guò)優(yōu)化的吊裝架系統(tǒng),達(dá)到既保證吊裝安全,又節(jié)約安裝成本的目的。其設(shè)計(jì)驗(yàn)算流程見圖2。
圖2 雙梁式吊裝架設(shè)計(jì)驗(yàn)算流程
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),并且為了簡(jiǎn)化計(jì)算,縱梁采用焊接H形鋼梁,兩根縱梁呈鏡面對(duì)稱。橫梁采用焊接箱型梁,縱梁和橫梁之間采用高強(qiáng)螺栓連接。當(dāng)需要吊裝的牌坊重量超過(guò)單臺(tái)行車的額定吊裝重量,但低于兩臺(tái)行車主鉤額定吊裝重量之和的1.15倍時(shí),為保證行車的安全,可以將兩個(gè)行車的主鉤的受力分配比例等于其額定吊裝重量之比。為便于計(jì)算和分析,假定雙梁式吊裝架系統(tǒng)為一個(gè)剛性架,四根橫梁的截面相同,從而整個(gè)剛性架可以簡(jiǎn)化為一個(gè)扁擔(dān)梁。
根據(jù)圖1,作出雙梁式吊裝架受力簡(jiǎn)圖如圖3。
圖3 雙梁式吊裝架計(jì)算簡(jiǎn)圖
根據(jù)圖3,可以建立如下方程式組:
注:式中各種代號(hào)表示的意義請(qǐng)參見表1,下同。
根據(jù)式(1)可以計(jì)算出以下數(shù)據(jù):
2.2.1 橫梁結(jié)構(gòu)特性
橫梁結(jié)構(gòu)如圖4所示。橫梁的截面積:
橫梁的重量:
圖4 橫梁結(jié)構(gòu)圖(左)及截面尺寸(右)
橫梁的截面抗彎模量:
2.2.2 橫梁受力計(jì)算
橫梁實(shí)際上相當(dāng)于兩端剛性固定梁,其受力狀況優(yōu)于兩端鉸接梁假設(shè),為簡(jiǎn)化計(jì)算采用鉸接假設(shè),鉸接方式計(jì)算的結(jié)果如能滿足安全系數(shù)要求,則實(shí)際情況下就更能保證吊裝安全。根據(jù)上述推理,并假定橫梁與縱梁之間為鉸接,則各橫梁受力情況如下。
(1)橫梁1:橫梁1的受力情況參見圖5。
圖5 橫梁1受力分析簡(jiǎn)圖
根據(jù)圖5,橫梁1端部受力為:
橫梁1中點(diǎn)的彎矩為:
根據(jù)式(3)和式(7)橫梁1的最大應(yīng)力為:
(2)橫梁2、橫梁3:橫梁2、橫梁3受力情況參見圖6。
圖6 橫梁2、橫梁3受力簡(jiǎn)圖
根據(jù)圖6,橫梁2、橫梁3端部支反力為:
橫梁2、橫梁3的最大彎矩為:
根據(jù)式(3)和式(10),橫梁2和橫梁3的最大應(yīng)力為:
(3)橫梁4:橫梁4受力簡(jiǎn)圖參見圖7。
圖7 橫梁4受力分析簡(jiǎn)圖
根據(jù)圖7,橫梁4端部的支反力為:
橫梁4中點(diǎn)的彎矩為:
根據(jù)式(3)和式(7)橫梁4的最大應(yīng)力為:
2.3.1 縱梁結(jié)構(gòu)特性
縱梁結(jié)構(gòu)及其截面尺寸參見圖8,縱梁的截面積為:
圖8 總量結(jié)構(gòu)圖及截面圖
縱梁的重量為:
縱梁的截面抗彎模量為:
2.3.2 縱梁受力計(jì)算
假設(shè)縱梁為一根兩端簡(jiǎn)支梁,縱梁受力情況參見圖9。
根據(jù)圖9,并考慮牌坊吊裝時(shí)橫梁2和橫梁3的結(jié)構(gòu)尺寸,得出下列計(jì)算式:
(1)橫梁1至橫梁2之間的距離:
圖9 縱梁受力計(jì)算簡(jiǎn)圖
(2)橫梁2至橫梁3之間的距離:
(3)橫梁3至橫梁4之間的距離:
(4)橫梁2處的縱梁彎矩:
(5)橫梁2處的縱梁彎曲應(yīng)力:
(6)橫梁3處的縱梁彎矩:
(7)橫梁3處的縱梁應(yīng)力:
對(duì)于牌坊吊裝時(shí)所用的雙梁式吊裝架,因?yàn)閷儆谂R時(shí)設(shè)施,其重復(fù)使用的頻度較低,基本上一次工程完工后,該吊裝架即可報(bào)廢。同時(shí),因?yàn)榈跹b架所吊裝的設(shè)備非常重要,牌坊重量非常重,因此在吊裝時(shí),必須嚴(yán)格確保吊裝過(guò)程的安全。根據(jù)本公司的經(jīng)驗(yàn),吊裝架設(shè)計(jì)、驗(yàn)算時(shí),一般應(yīng)保證其安全系數(shù)在2.5~3.5之間。如果某工程中只有一臺(tái)軋機(jī)(兩片牌坊),安全系數(shù)可以取2.5~3.0;如果有多片牌坊,如7機(jī)架熱連軋機(jī)組,安全系數(shù)應(yīng)在3.0~3.5之間。
根據(jù)上述,利用上文中式(11)、式(14)、式(16)、式(24)、式(26)分別驗(yàn)算各處的安全系數(shù)。安全系數(shù)為:
根據(jù)上文,建立Excel計(jì)算模型(參見表1)。
表1 雙梁式吊裝架Excel計(jì)算模型及優(yōu)化結(jié)果
以我公司承建的某工程為例,該工程共2臺(tái)軋機(jī),單片牌坊最大重量為145 t,車間內(nèi)最大的行車主鉤額定起重量為100 t,相鄰的一臺(tái)行車主鉤額定起重量為50 t,其余數(shù)據(jù)參見表1。在Excel中建立計(jì)算模型后,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行調(diào)整后的計(jì)算結(jié)果見表1中的“(D)”列。
4.2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟
(1)確定縱梁截面參數(shù);(2)確定橫梁截面參數(shù)。
4.2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)原則
(1)縱梁優(yōu)化應(yīng)以橫梁2和橫梁3兩處的安全系數(shù)中較小的一個(gè)值的位置為準(zhǔn),其安全系數(shù)應(yīng)介于2.5~3.5之間;
(2)橫梁的優(yōu)化應(yīng)以4根橫梁中安全系數(shù)最小的一根橫梁為準(zhǔn),其安全系數(shù)應(yīng)介于2.5~3.5之間;
(3)盡量減少吊裝架制作材料的規(guī)格數(shù)量。如:橫梁的翼緣板厚度盡量與縱梁的腹板厚度相同;橫梁端板的厚度盡量與縱梁的翼緣板厚度相同;4根橫梁的截面盡量選用相同參數(shù)(也便于現(xiàn)場(chǎng)組裝吊裝架式不易發(fā)生錯(cuò)誤)。
(4)建立調(diào)整量之間的經(jīng)驗(yàn)公式,可以更迅速準(zhǔn)確的確定吊裝架的各項(xiàng)參數(shù)。如:縱梁的高寬比、橫梁截面的高寬比、縱梁截面與橫梁截面的高度比等。
(5)如經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整后的吊裝架與牌坊的總重量超出兩臺(tái)行車的起重能力,可以將吊裝梁的材質(zhì)等級(jí)提高,如將鋼材的材質(zhì)由Q235修改為Q345或Q390。
我公司在某安裝工程中對(duì)上述計(jì)算模型進(jìn)行了成功應(yīng)用,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。安裝工程現(xiàn)場(chǎng)的工程技術(shù)人員經(jīng)常要遇到類似需要設(shè)計(jì)驗(yàn)算的情況,如采用專業(yè)計(jì)算軟件,那將導(dǎo)致工程技術(shù)人員所需專業(yè)軟件的種類、數(shù)量都急劇上升,購(gòu)買這些專業(yè)軟件都將導(dǎo)致企業(yè)成本的增加,而Excel作為一種常用的辦公軟件,已經(jīng)是工程技術(shù)人員必備、常備的辦公軟件,充分利用Excel軟件的強(qiáng)大的計(jì)算功能,可以解決很多現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題,因此,在一段時(shí)期內(nèi),利用Excel建立工程問(wèn)題的計(jì)算模型,都將是解決類似問(wèn)題的一個(gè)良好工具。
[1]《機(jī)械工程師手冊(cè)》第二版編輯委員會(huì).機(jī)械工程師手冊(cè)(第二版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000
[2]邱鶴年.新編鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005