李曄

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450015)

0 引言

在以往的工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于帶回轉(zhuǎn)吊和有跨外工況的門機(jī)，一般要求必須進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性校核。在計(jì)算過程中，往往以門機(jī)整體來驗(yàn)算傾覆力矩，即在最不利荷載組合工況下，要求包括門機(jī)自重在內(nèi)的各項(xiàng)荷載對(duì)傾覆邊力矩之和大于或等于零(∑M≥0)，以保證門機(jī)的整體穩(wěn)定性。而對(duì)于帶有長(zhǎng)回轉(zhuǎn)臂、大起升力回轉(zhuǎn)吊的門機(jī)，在最不利荷載工況下，往往不能達(dá)到∑M≥0，一般是通過增加配重塊來平衡不利傾覆力矩，使之達(dá)到平衡。但值得注意的是，將按照∑M≥0條件計(jì)算得出的配重合理分配到傾覆側(cè)的2個(gè)支門腿上，是手工計(jì)算不易實(shí)現(xiàn)的。一旦重量分配不合理，就會(huì)出現(xiàn)雖然∑M≥0條件滿足，但在極限荷載作用下某個(gè)門腿處車輪抬起離開地面的情況，這是不允許的。

1 門機(jī)的計(jì)算模型及說明

Staad.pro軟件是工程領(lǐng)域常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析軟件，具有很強(qiáng)的處理空間模型的能力，其計(jì)算模型的建立有多種方式。本文討論的QM2×800/250 kN門機(jī)為運(yùn)行于洪渡河某電站的單向門機(jī)，主起升機(jī)構(gòu)額定啟閉力為2×800kN，回轉(zhuǎn)起升機(jī)構(gòu)額定起閉力為250kN?；剞D(zhuǎn)起升機(jī)構(gòu)位于下游右側(cè)門腿旁，臂長(zhǎng)14 m，門機(jī)軌距為6.0 m，基距為8.0 m，回轉(zhuǎn)平臺(tái)下梁懸臂長(zhǎng)2.2 m，回轉(zhuǎn)吊工作范圍為180°。對(duì)于該類門機(jī)，可以直接在軟件柵格系統(tǒng)中建立模型，亦可以由CAD生成dxf文件后導(dǎo)入。另外，軟件中還有結(jié)構(gòu)向?qū)Аxcel生成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)表等多種靈活多變的建模方式。本文不再贅述建模過?程，僅對(duì)該門機(jī)的模型數(shù)據(jù)稍作說明。

計(jì)算不是為了獲得準(zhǔn)確的應(yīng)力結(jié)果，僅僅是為了求得在某個(gè)荷載工況下結(jié)構(gòu)的支腳反力，是從結(jié)構(gòu)整體來考慮的，這一點(diǎn)也符合進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分析時(shí)從整體到局部的一般規(guī)律;另外，程序中對(duì)變截面形狀和有隔膜箱型梁的建模較繁瑣，所以在保證構(gòu)件重力分布和截面形狀相對(duì)準(zhǔn)確的前提下，對(duì)門架構(gòu)件的截面進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，全部利用梁?jiǎn)卧！＼浖罱K計(jì)算門架總質(zhì)量為72.50 t，與實(shí)際門架總質(zhì)量70.15 t相比，誤差為+3.34%，滿足精度要求，計(jì)算結(jié)果見表1。

門架構(gòu)件最終模型如圖1所示。

2 基本荷載

2.1 自重

自重包括結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備的自重和壓重等。在軟件上施加重力有2種方式:

(1)軟件根據(jù)模型自動(dòng)生成構(gòu)件的自重。

(2)用均布荷載模擬壓重。

自重基本數(shù)據(jù)包括:

(1)門架。70.15 ×9.8=688(kN)，軟件根據(jù)截面數(shù)據(jù)生成。

(2)機(jī)房和內(nèi)部電氣設(shè)備。11.2×9.8=110(kN)，按均布荷載施加于門架上部結(jié)構(gòu)，折算為110 ÷31.8=3.46(kN/m)。

(3)回轉(zhuǎn)吊。吊具:7 kN，按集中力施加于吊點(diǎn);回轉(zhuǎn)吊架:共313kN，其中回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)平臺(tái)和上面的起升機(jī)構(gòu)總自重為220kN，按均布荷載施加到平臺(tái)處，其余的臂架拉桿等按截面自動(dòng)生成。

(4)主起升機(jī)構(gòu)。29.9 ×9.8=293(kN)，均分到底座4個(gè)腳的支撐處。

表1 門架構(gòu)件實(shí)際截面尺寸與模型中施加截面尺寸的對(duì)比

圖1 門架構(gòu)件模型

(5)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。30.4 ×9.8=297.92(kN)，均分到4個(gè)門腿底部。

(6)抓梁?？傋灾貫?20 kN，每個(gè)門腿底部施加30 kN。

2.2 起升荷載

(1)主起升起吊額定荷載。2×800 kN，施加于主起升機(jī)構(gòu)底座4個(gè)腳的支撐處。

(2)回轉(zhuǎn)吊起升額定荷載。250 kN(暫不考慮動(dòng)載和試驗(yàn)系數(shù))，施加于吊點(diǎn)處。

2.3 水平荷載

走行慣性力:取機(jī)架質(zhì)量和走行加速度乘積的1.5倍。根據(jù)行走運(yùn)行速度v=20.5 m/s，查得加速度推薦值為0.16 m/s2，則走行慣性力=機(jī)架質(zhì)量×1.5×0.16，水平行走方向，按最不利方向加載。

2.4 風(fēng)荷載

工作狀態(tài)風(fēng)荷載為

非工作狀態(tài)風(fēng)荷載(暴風(fēng))為

式中:C為風(fēng)力系數(shù)，C=1.3;Kh為高度變化系數(shù)，工作狀態(tài)下Kh=1.00(工作狀態(tài)下計(jì)算風(fēng)壓不考慮高度變化)，非工作狀態(tài)下Kh=1.32(暫不考慮水面位置);p為計(jì)算風(fēng)壓，按技術(shù)協(xié)議要求，工作狀態(tài)下計(jì)算風(fēng)壓p=150 N/m2，非工作狀態(tài)下計(jì)算風(fēng)壓p=800 N/m2;A為門機(jī)迎風(fēng)面積，A=107 m2。風(fēng)荷載按均布荷載施加于門架梁上。

2.5 荷載組合

DL/T 5167—2002《啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)置了10余種荷載組合工況，本文僅列出以下4組最不利荷載的組合工況。

(1)工況1。自重1821 kN+回轉(zhuǎn)吊起升荷載250 kN+工作狀態(tài)的風(fēng)荷載20.8 kN(吊點(diǎn)位于上游側(cè)順軌方向)。

(2)工況2。自重1821 kN+回轉(zhuǎn)吊起升荷載250 kN+工作狀態(tài)的風(fēng)荷載20.8 kN(吊點(diǎn)位于跨外，垂直于大車軌道方向)。

(3)工況3。自重1821 kN+回轉(zhuǎn)吊起升荷載250 kN+工作狀態(tài)的風(fēng)荷載20.8 kN(吊點(diǎn)位于跨外，與大車軌道方向呈45°夾角)。

(4)工況4。自重1821kN+非工作狀態(tài)的風(fēng)荷載149.6 kN。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)上述4種組合作用荷載進(jìn)行計(jì)算，通過軟件可以求得各工況的支腳反力情況(如圖2～圖5所示)。圖中框格中顯示的是每個(gè)支腳的約束情況，即每個(gè)方框代表1處反力，每處反力都包括3個(gè)位移自由度(x，y，z)和 3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(Mx，My，Mz)，其中y向位移約束的反力情況正是分析中需關(guān)注的。

下面對(duì)該4組反力結(jié)果的數(shù)值進(jìn)行分析:

(1)工況1。該工況下，下游側(cè)左門腿反力出現(xiàn)了負(fù)值－267.533 kN，即約束對(duì)結(jié)構(gòu)有－y方向數(shù)值為267.533 kN的力，說明需要向下的拉力才能保持門架整體的平衡，若沒有足夠豎向約束力就會(huì)出現(xiàn)門腿上翹的現(xiàn)象。而門機(jī)大車行走輪和軌道的結(jié)合處是無法提供拉力的，因此需在此處施加相應(yīng)的配重才能保證結(jié)構(gòu)平衡。

(2)工況2:該工況下，門架輪壓力最小處出現(xiàn)在上游右側(cè)門腿處，但其數(shù)值為32.384 kN，說明支腳約束對(duì)結(jié)構(gòu)有+y方向的支撐力，該力較小，但實(shí)際中亦需引起重視。

圖2 工況1支腳反力情況

圖3 工況2支腳反力情況

(3)工況3。該工況下，下游側(cè)左門腿支腳反力出現(xiàn)了負(fù)值－12.905kN，需約束提供－y方向的力才能使結(jié)構(gòu)平衡，需由配重來代替支腳－y向的約束力。

(4)工況4。該工況下，吊臂收回，在暴風(fēng)工況下(側(cè)向來風(fēng)的風(fēng)壓為800 N/mm2)，反力值正常。

上述計(jì)算結(jié)果說明，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)吊吊臂很長(zhǎng)，250 kN的起升荷載對(duì)其作用面內(nèi)的門腿影響很大，故下游左側(cè)門腿處需增加較大配重才能使結(jié)構(gòu)平衡。而當(dāng)?shù)觞c(diǎn)垂直于大車軌道方向時(shí)，由于行走側(cè)面的上橫梁、中橫梁和行走梁連接面內(nèi)剛性較大，使左側(cè)門腿分擔(dān)了一部分不利影響，所需配重并不是太大。

最大輪壓為下游右側(cè)門腿處，數(shù)值為1681.889 kN，與手工計(jì)算結(jié)果吻合。

圖4 工況3支腳反力情況

圖5 工況4支腳反力情況

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際門機(jī)配重時(shí)參考以上計(jì)算，解決了配重不平衡的問題，效果良好。上述問題的探討說明，當(dāng)手工計(jì)算不能很好地把握門架配重時(shí)，用結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算軟件(如Staad.pro)對(duì)門架整體進(jìn)行分析，通過考察支腳反力的情況酌情施加配重，是具有可行性的，也為我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中準(zhǔn)確設(shè)置配重提供了一條可靠的途徑。

［1］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］DL/T 5167—2002，啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.