翟德宏

中石油第二建設(shè)公司 甘肅蘭州 730060

基于CAM平臺(tái)的大型設(shè)備吊裝模擬實(shí)現(xiàn)

翟德宏

中石油第二建設(shè)公司 甘肅蘭州 730060

為了直觀展示設(shè)備吊裝過(guò)程的細(xì)節(jié),分析吊裝過(guò)程中設(shè)備的走位變化,進(jìn)行吊裝吊耳應(yīng)力分析,以準(zhǔn)確判斷設(shè)備、吊裝機(jī)械、現(xiàn)場(chǎng)建筑物之間是否存在相互干涉及過(guò)載現(xiàn)象,保證吊裝施工成功率,需對(duì)吊裝施工進(jìn)行模擬驗(yàn)證。本文通過(guò)對(duì)大型設(shè)備吊裝技術(shù)與三維技術(shù)(CAM)的研究,說(shuō)明利用CAM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備吊裝模擬驗(yàn)證的方法。

CAM平臺(tái)大型吊裝模擬驗(yàn)證應(yīng)力分析

隨著煉油化工裝置及設(shè)備的大型化與復(fù)雜化,對(duì)安裝施工技術(shù)的要求不斷提高。而采用傳統(tǒng)的作圖法、計(jì)算法解決大型設(shè)備吊裝施工過(guò)程的模擬驗(yàn)證、吊耳的應(yīng)力校核等安裝施工技術(shù)間題較為復(fù)雜甚至難以完成,難以適應(yīng)發(fā)展需求。本文基于CAM平臺(tái),依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地、設(shè)備重量和形狀、吊車(chē)性能等,制作三維基礎(chǔ)模型,模擬設(shè)備進(jìn)場(chǎng)運(yùn)輸、吊裝實(shí)施的過(guò)程,并進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算與分析,分析判斷相互干涉影響及是否有過(guò)載情況發(fā)生,以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型設(shè)備吊裝的模擬驗(yàn)證,并以某石化公司300萬(wàn)t/a柴油加氫反應(yīng)器吊裝為例說(shuō)明。

1 吊裝方案擬定

300萬(wàn)t/a柴油加氫精制反應(yīng)器設(shè)備規(guī)格Φ5093×25741,吊裝總重為437.9t,三維模型見(jiàn)圖1。

吊裝采用單吊車(chē)提吊、單吊移送工藝：使用利勃海爾(LR1750)750t履帶式吊車(chē)主吊,采用德瑪格(TC2600)的500t桁架臂汽車(chē)式吊進(jìn)行溜尾。吊裝過(guò)程為首先750t與500t配合水平抬吊加氫反應(yīng)器,吊離支撐高度后,750t主吊車(chē)向上提升設(shè)備,同時(shí)500t溜尾吊車(chē)旋轉(zhuǎn),在兩吊車(chē)的配合下,使加氫反應(yīng)器逐漸由水平位置過(guò)渡到豎直位置,之后500t吊車(chē)脫鉤,750t吊車(chē)單機(jī)將反應(yīng)器吊裝就位,平面圖見(jiàn)圖2。

圖1 加氫反應(yīng)器三維模型

圖2 某加氫反應(yīng)器吊裝平面布置圖

2 基于CAM平臺(tái)的吊裝模擬方法

2.1 利用CAM平臺(tái)創(chuàng)建三維基礎(chǔ)模型

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地、設(shè)備形狀、吊車(chē)及吊索具結(jié)構(gòu)性能參數(shù)等,按照實(shí)際比例,進(jìn)行建模。建模過(guò)程中設(shè)備尺寸、吊車(chē)的旋轉(zhuǎn)半徑、吊桿長(zhǎng)度、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景及反應(yīng)器就位時(shí)的位置參數(shù)為主控參數(shù),必須與測(cè)量數(shù)據(jù)一致。主吊車(chē)三維模型見(jiàn)圖3,溜尾吊車(chē)三維模型見(jiàn)圖4,反應(yīng)器三維模型見(jiàn)圖1。

圖3 750t履帶吊三維模型

圖4 500t桁架臂汽車(chē)吊

2.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

模擬所使用的500t吊車(chē)底盤(pán)中心單元大齒輪齒數(shù)為Z1=150,液壓電機(jī)行星齒輪齒數(shù)為Z2=22,仿真模擬中,賦予行星齒輪虛擬旋轉(zhuǎn)馬達(dá)并控制其速度為4 RPM(4圈/min),由加氫反應(yīng)器吊裝平面圖5數(shù)據(jù)可得出500t需要轉(zhuǎn)動(dòng)角度為87。,由此可得：

圖5 S吊臂變幅角度平面圖

溜尾吊車(chē)S吊臂變幅角度計(jì)算

由計(jì)算可得出,可得出主吊車(chē)吊鉤線性馬達(dá)模擬速度為1030mm/s,控制溜尾吊車(chē)S吊臂變幅角度為△Φ=3。。

2.3 運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與加載

2.3.1 程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的精確控制,真實(shí)模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì),程序核心代碼見(jiàn)圖6,程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于上文所計(jì)算的運(yùn)動(dòng)參數(shù),程序設(shè)計(jì)坐標(biāo)設(shè)置見(jiàn)圖7。

圖6 程序核心代碼

圖7 程序設(shè)計(jì)坐標(biāo)圖

2.3.2 設(shè)計(jì)程序加載

通過(guò)API接口,將程序載入CAM平臺(tái),見(jiàn)下圖8,程序運(yùn)行后,模擬運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)下圖9。

圖8 程序載入CAM平臺(tái)圖

圖9 程序模擬運(yùn)行結(jié)果圖

3 有限元應(yīng)力計(jì)算與校核

吊裝過(guò)程中,吊車(chē)的起吊能力是根據(jù)總吊裝重量選定的,此參數(shù)為吊車(chē)性能參數(shù),無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,而吊裝吊耳為自制件,其應(yīng)力強(qiáng)度直接關(guān)系到吊裝成敗,因此需對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析,并將分析結(jié)果反饋于應(yīng)力傳感器,作為模擬判斷條件。利用所創(chuàng)建的三維模型,在CAM平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。

Q345為吊耳材質(zhì),其屈服強(qiáng)度σS等于345 MPa,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取安全系數(shù)n為1.6,則許用拉應(yīng)力［σ］等于σS/1.6等于215Mpa。

反應(yīng)器金屬總重量為393t,吊耳自重為5.5t,750t吊履帶

吊的吊鉤重量為16t鋼絲繩等附件重量為1t,因此吊裝總重量按416t計(jì)算,吊裝緩慢動(dòng)載系數(shù)選取1.1,計(jì)算重量則為416× 1.1等于458t。有限元分析時(shí),選取的極限最大受拉位置為反應(yīng)器吊裝至豎直位置、500t溜尾吊脫鉤750t主吊車(chē)單車(chē)吊裝反應(yīng)器時(shí),吊耳受力最大應(yīng)力為416t,計(jì)算應(yīng)力為458t。

有限元分析過(guò)程及結(jié)果見(jiàn)圖10。從計(jì)算結(jié)果可看出反應(yīng)器吊蓋式吊耳最大應(yīng)力為178.394MPa小于Q345的許用應(yīng)力215MPa,力學(xué)性能滿足要求［1］。

圖10 有限元分析過(guò)程及結(jié)果

4 吊裝施工方案模擬驗(yàn)證

依照擬定的施工方案,根據(jù)吊車(chē)站位,現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)筑物布置位置等情況完成吊車(chē)場(chǎng)景的搭建,并根據(jù)應(yīng)力計(jì)算及運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力及干涉?zhèn)鞲衅鲄?shù)設(shè)置,見(jiàn)圖11、圖12。應(yīng)力參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于上文的有限元計(jì)算結(jié)果,干涉?zhèn)鞲衅鞯脑O(shè)置數(shù)據(jù)源于通過(guò)API進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)及CAM平臺(tái)虛擬傳感器功能。

圖11 應(yīng)力傳感器設(shè)置

圖12 干涉?zhèn)鞲衅髟O(shè)置

完成所有參數(shù)設(shè)置后,開(kāi)始模擬計(jì)算,CAM平臺(tái)將運(yùn)行第三部分的運(yùn)動(dòng)程序,并實(shí)時(shí)反饋應(yīng)力數(shù)據(jù)開(kāi)始進(jìn)行模擬計(jì)算,若計(jì)算過(guò)程中所有應(yīng)力和干涉?zhèn)鞲衅鳑](méi)有“提醒”警告,且在模擬環(huán)境中可順利實(shí)現(xiàn)設(shè)備就位,則說(shuō)明擬定的吊裝方案可行,反之則需對(duì)擬定的方案進(jìn)行調(diào)整,然后采用類(lèi)似方法直至虛擬計(jì)算成功。

經(jīng)計(jì)算后,擬定的吊裝方案全過(guò)程無(wú)“警告”,見(jiàn)圖12,說(shuō)明擬定方案可行［2］。模擬計(jì)算成功后,記錄模擬運(yùn)動(dòng)參數(shù)及各設(shè)備的位置參數(shù),為實(shí)際吊裝施工提供理論數(shù)據(jù)。

圖12 吊裝施工模擬計(jì)算通過(guò)

5 結(jié)論

吊裝過(guò)程不能進(jìn)行實(shí)際演練,必須一次性成功。通過(guò)CAM平臺(tái)對(duì)大型設(shè)備吊裝進(jìn)行模擬,直觀地展示了設(shè)備吊裝過(guò)程的細(xì)節(jié)及吊裝過(guò)程中設(shè)備的走位變化,準(zhǔn)確排除了設(shè)備、吊裝機(jī)械、現(xiàn)場(chǎng)建筑物和結(jié)構(gòu)等發(fā)生相互的干涉和影響,優(yōu)化了吊裝方案,通過(guò)模擬數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際吊裝過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo),保證吊裝成功率。

際吊裝作業(yè)中,施工人員按照模擬參數(shù)包括吊車(chē)站位,吊車(chē)工況及吊裝方式等進(jìn)行施工吊裝設(shè)置,經(jīng)精確操作,吊裝過(guò)程與模擬過(guò)程完全吻合,吊裝一次成功,沒(méi)有出現(xiàn)任何設(shè)備與構(gòu)筑物、吊車(chē)與構(gòu)筑物的干涉及應(yīng)力過(guò)載現(xiàn)象,吊裝作業(yè)圓滿完成。此吊裝作業(yè)的成功也進(jìn)一步驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。

TU741.1

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1672-9323(2016)05-0044-04