唐洪志

(中國十九冶集團(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，安裝后一般不會產(chǎn)生檢修問題，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)牌坊安裝時無法直接利用單臺橋式起重機(jī)直接吊裝，并且其牌坊高度可能超過車間地面至橋式起重機(jī)的軌面高度。這時，就不能利用簡單的雙機(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

1 雙梁式吊裝架設(shè)計(jì)驗(yàn)算程序

采用雙梁式吊裝架時，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)兩臺行車的主鉤額定起重量QD1、QD2(t);(6)兩臺行車靠攏時主鉤之間的最小水平距離L(mm)。

通過上述參數(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)的兩臺行車雙機(jī)抬吊安裝軋機(jī)牌坊。由于手工計(jì)算過程相當(dāng)繁瑣，并對吊裝架設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時，手工計(jì)算量成倍加大，所以在現(xiàn)場施工時，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，就不會對吊裝梁進(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會自動計(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

2 驗(yàn)算公式建立過程

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)定

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并且為了簡化計(jì)算，縱梁采用焊接H形鋼梁，兩根縱梁呈鏡面對稱。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單臺行車的額定吊裝重量，但低于兩臺行車主鉤額定吊裝重量之和的1.15倍時，為保證行車的安全，可以將兩個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)為一個剛性架，四根橫梁的截面相同，從而整個剛性架可以簡化為一個扁擔(dān)梁。

根據(jù)圖1，作出雙梁式吊裝架受力簡圖如圖3。

圖3 雙梁式吊裝架計(jì)算簡圖

根據(jù)圖3，可以建立如下方程式組:

注:式中各種代號表示的意義請參見表1，下同。

根據(jù)式(1)可以計(jì)算出以下數(shù)據(jù):

2.2 橫梁受力分析及公式建立

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受力簡圖參見圖7。

圖7 橫梁4受力分析簡圖

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 縱梁受力分析及公式建立

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:

2.4 安全系數(shù)驗(yàn)算

對于牌坊吊裝時所用的雙梁式吊裝架，因?yàn)閷儆谂R時設(shè)施，其重復(fù)使用的頻度較低，基本上一次工程完工后，該吊裝架即可報廢。同時，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，必須嚴(yán)格確保吊裝過程的安全。根據(jù)本公司的經(jīng)驗(yàn)，吊裝架設(shè)計(jì)、驗(yàn)算時，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:

3 建立Excel計(jì)算模型

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

4 代入數(shù)據(jù)并優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 代入數(shù)據(jù)

以我公司承建的某工程為例，該工程共2臺軋機(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 優(yōu)化設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

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)場組裝吊裝架式不易發(fā)生錯誤)。

(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)過優(yōu)化調(diào)整后的吊裝架與牌坊的總重量超出兩臺行車的起重能力，可以將吊裝梁的材質(zhì)等級提高，如將鋼材的材質(zhì)由Q235修改為Q345或Q390。

5 結(jié)束語

我公司在某安裝工程中對上述計(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)場計(jì)算問題，因此，在一段時期內(nèi)，利用Excel建立工程問題的計(jì)算模型，都將是解決類似問題的一個良好工具。

［1］《機(jī)械工程師手冊》第二版編輯委員會.機(jī)械工程師手冊(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［M］.北京:中國電力出版社，2005