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印度尼西亞芝拉扎三期發(fā)電廠在工程設(shè)計(jì)階段，汽機(jī)房橋式起重機(jī)未考慮發(fā)電機(jī)定子吊裝，汽機(jī)房行車梁的強(qiáng)度設(shè)計(jì)為常規(guī)載荷設(shè)計(jì)，行車梁并未進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子吊裝的結(jié)構(gòu)加固，發(fā)電機(jī)定子凈重達(dá)到494t，遠(yuǎn)超汽機(jī)房橋式起重機(jī)的吊裝能力。但是在常規(guī)條件下，能考慮的其他方案只有通過汽機(jī)房內(nèi)布置吊裝門架裝置加軌道拖運(yùn)的方案或者租賃大噸位起重機(jī)（1500t級以上）在汽機(jī)房A排外進(jìn)行吊裝就位。但吊裝門架裝置加軌道拖運(yùn)施工周期長，施工交叉面多，對相近專業(yè)施工影響大，需要緩裝大量的安裝工程量，對工程造成的影響巨大。并且大噸位起重機(jī)在印度尼西亞市場無可供租賃的資源，同時(shí)也需緩建汽機(jī)屋架等條件，從工程進(jìn)度角度及設(shè)備供貨角度來說沒有施工時(shí)間窗口。故研究分析是否能夠利用汽機(jī)房橋式起重機(jī)進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子的吊裝。兩臺(tái)汽機(jī)房橋式起重機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 QD135/35-31.7A3型橋式起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1 基本思路

利用汽機(jī)房行車梁進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子的吊裝是所有常見方法中綜合優(yōu)點(diǎn)最多的方案。所以從這個(gè)點(diǎn)切入，列出基本思路解決矩陣表，詳見表2。 實(shí)際上，總體的思路就是在不考慮大噸位起重機(jī)及吊裝門架方案的前提下，通過研究分析及合理優(yōu)化，找出能在進(jìn)度可控、安全的前提下使用行車梁進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子的吊裝就位。對于表2中備注①中的外部條件核驗(yàn)，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電機(jī)定子吊裝過程中的極限輪壓并未超過汽機(jī)房橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)輪壓極限，故外部的結(jié)構(gòu)條件具備發(fā)電機(jī)定子吊裝的技術(shù)條件。同時(shí)，我們也征求了設(shè)計(jì)院的校核驗(yàn)算及施工建議。

表2 印尼芝拉扎三期發(fā)電機(jī)定子吊裝方案思路矩陣

發(fā)電機(jī)定子吊裝的示意圖詳見圖1、圖2及圖3。使用液壓提升裝置進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子吊裝，主要利用液壓提升裝置作為提升執(zhí)行機(jī)構(gòu)，行車梁作為承載平臺(tái)，通過平衡梁主梁、平衡梁次梁及鋼絲繩的連接進(jìn)行吊裝就位。次梁長度規(guī)格根據(jù)汽機(jī)房檢修吊物孔的尺寸量身定做，故不管行車梁受力如何分配，次梁以下的組件為常規(guī)發(fā)電機(jī)定子吊裝通用工裝，其受力校核能夠滿足發(fā)電機(jī)定子吊裝要求，此處不再贅述。故下部通用結(jié)構(gòu)能夠滿足發(fā)電機(jī)定子吊裝的技術(shù)要求。

剩下的就是對于備注③和備注④的分析研究了，也就是通過分析計(jì)算，找出優(yōu)化行車梁受力模型，制定載荷分配方案，使行車梁的強(qiáng)度、剛度能夠滿足發(fā)電機(jī)定子吊裝的要求條件。

2 研究、分析計(jì)算

2.1 研究思路

圖1 發(fā)電機(jī)定子吊裝示意圖Ⅰ

圖2 發(fā)電機(jī)定子吊裝示意圖Ⅱ

圖3 發(fā)電機(jī)定子吊裝示意圖Ⅲ

汽機(jī)房橋式起重機(jī)在使用過程中，在最大吊載，小車在單邊極限位置時(shí)，其對應(yīng)側(cè)的臺(tái)車輪壓達(dá)到最大。然而在發(fā)電機(jī)定子吊裝過程中，載荷基本分布在行車梁縱向中間段，行車的各個(gè)輪壓均勻分布，實(shí)際最大輪壓值并不一定超過額定載荷小車在極限位置時(shí)的輪壓值。假定發(fā)電機(jī)定子吊裝過程輪壓計(jì)算結(jié)果未超過設(shè)計(jì)輪壓，那外部條件必然能夠滿足吊裝要求；同時(shí)，因行車梁可以近似等同簡支梁，行車梁的剪切強(qiáng)度在輪壓不超過設(shè)計(jì)輪壓的情況下也必然能滿足剪切強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

然后對行車梁在發(fā)電機(jī)定子吊裝的工況下進(jìn)行彎曲強(qiáng)度分析，實(shí)際行車梁承受的彎曲強(qiáng)度和梁截面抗彎模量大小成反比，與外界施加在行車梁截面上的彎矩成正比。而行車梁截面上所承受的彎矩可以通過梁上施加的垂直載荷點(diǎn)的合理分布而減少，換言之，液壓提升裝置4個(gè)液壓缸在行車梁上的分布決定了行車梁承受的最大彎矩值，通過增大液壓提升裝置4個(gè)油缸縱向間距，可大大減少行車梁所承受的最大彎矩值，所以單從彎曲強(qiáng)度角度來分析，理論上可以達(dá)到要求。

在剛度分析方面，對于行車梁在外加載荷下的下?lián)隙?，其特性與行車梁的彎曲強(qiáng)度類似，即行車梁在受到外來載荷影響下的下?lián)隙扰c施加在行車梁上的最大彎矩成正比。因此，同樣可通過增大液壓提升裝置4個(gè)油缸縱向間距來間接減小行車梁的吊裝工況下的下?lián)隙?，從而使行車梁的剛度能滿足吊裝要求。

2.2 解決措施

根據(jù)行車梁所承受的彎曲強(qiáng)度和下?lián)隙鹊奶匦?，結(jié)合印尼芝拉扎三期火電廠工程汽機(jī)房檢修吊物孔的尺寸，將發(fā)電機(jī)定子吊裝裝置的主梁長度尺寸放大到載荷間距為13m，如圖4和圖5所示。

增加主梁的長度，主要是為了優(yōu)化行車梁上載荷點(diǎn)的分布，達(dá)到減小行車梁所受最大彎矩的目的。

同時(shí)，為了盡量減少行車梁所受最大彎矩，將兩臺(tái)行車上的小車予以拆除，這樣可大大減少行車梁所受到的最大彎矩。

以下是通過計(jì)算（計(jì)算過程采用近似簡化模型，未考慮行車小車的均布以及擱置梁的均布，但不影響計(jì)算結(jié)果對比）對比行車在跨中正常吊裝額定載荷、常規(guī)5m吊裝平衡梁吊裝定子、改進(jìn)用13m平衡梁主梁吊裝定子3種工況下，汽機(jī)房行車梁的最大彎矩對比情況，見圖 6、圖 7、圖 8及表 3。

圖4 吊裝扁擔(dān)組拼裝示意圖

圖5 發(fā)電機(jī)定子吊裝平衡梁主梁和次梁示意圖

圖6 正?？缰蓄~定載荷吊裝行車梁最大彎矩

圖7 采用5m扁擔(dān)主梁吊裝定子行車梁最大彎矩

圖8 采用改進(jìn)13m扁擔(dān)主梁吊裝定子行車梁最大彎矩

對3種工況行車梁承受的最大彎矩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)，通過13m扁擔(dān)梁對行車梁的載荷進(jìn)行優(yōu)化，可大大減少行車梁在吊裝發(fā)電機(jī)定子時(shí)承受的彎矩。從計(jì)算結(jié)果分析，已經(jīng)非常接近行車正常額定載荷使用時(shí)行車梁承受的彎矩，方案具有很強(qiáng)的可行性。

表3 各種情況行車梁跨中最大彎矩＊

這樣帶來的變化主要是平衡梁主梁長度變大以后，增加了平衡梁主梁所受的最大彎矩，對梁的抗彎強(qiáng)度提出了更高的要求，但是相較行車梁彎矩的減少是非常有必要的，通過平衡梁主梁的重新設(shè)計(jì)，完全可以解決。

2.3 大車輪壓驗(yàn)算

吊重產(chǎn)生的輪壓：

P1=G/N=590/16=36.875t

式中：P1——吊裝發(fā)電機(jī)定子載荷的每個(gè)大車輪壓；

G——發(fā)電機(jī)定子吊裝載荷，包括發(fā)電機(jī)定子、液壓提升裝置、泵站、液壓缸擱置架、鋼絞線、鋼絲繩、主次梁、吊鉤等所有吊裝時(shí)候的載荷總重，G=590t。

N——輪子數(shù)量，N=16。

橋機(jī)自重產(chǎn)生的輪壓：

P2=G1/N=68/8=8.5t

式中：G1為去掉小車的行車自重，G1=68t。

因此，吊裝發(fā)電機(jī)定子工況下行車的最大輪壓：

P=P1+P2=36.875+8.5（t）≈445kN＜475kN（行車設(shè)計(jì)最大輪壓）。

因此，在預(yù)設(shè)工況下進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子吊裝時(shí)，汽機(jī)房屋架、汽機(jī)房柱頭基礎(chǔ)等外部受力均能滿足要求。同時(shí)，行車梁的剪切強(qiáng)度也滿足發(fā)電機(jī)定子吊裝要求。

2.4 行車梁強(qiáng)度校核計(jì)算

2.4.1 行車梁截面特征

行車梁截面特征見圖9，圖中各參數(shù)說明見表4。

圖9 行車梁截面示意圖

表4 行車梁截面參數(shù)表 mm

行車梁截面特性為：

質(zhì)心處的慣性矩：I=5.62E+10×1010

抗彎截面模量：W=5.6×107

2.4.2 行車梁在定子吊裝載荷下的彎曲正應(yīng)力計(jì)算

動(dòng)載系數(shù)：φ1=1.1

材料為Q345-B，σE=325MPa

額定載荷下系數(shù)VE=1.5

橋機(jī)跨度：L=31700mm

主梁自重：q=28t

材料的基本許用應(yīng)力：

因此，行車梁強(qiáng)度在定子吊裝過程中的彎曲應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，行車主梁的抗彎能力滿足要求。

2.5 行車梁在定子吊裝時(shí)靜剛度計(jì)算

行車梁在跨中的垂直靜剛度：

式中：fx ——定子吊裝時(shí)行車梁跨中下?lián)隙龋?/p>

M——定子吊裝時(shí)行車梁受到最大彎矩：

主梁剛度：fx

2.6 發(fā)電機(jī)定子吊裝平衡梁主梁設(shè)計(jì)剛度校核

由于重新設(shè)計(jì)定子吊裝平衡主梁，相較原先主梁，跨度變大，新的平衡梁主梁的設(shè)計(jì)尺寸見圖10。

圖10 定子吊裝平衡梁主梁設(shè)計(jì)尺寸圖

平衡梁主梁的強(qiáng)度校核在本文中不作為重點(diǎn)，主要由于跨度的增大，造成了主梁的剛度下降，下面應(yīng)用有限元分析軟件重點(diǎn)對扁擔(dān)主梁的剛度進(jìn)行分析校核。

撓度計(jì)算過程如下：

對13m平衡梁主梁進(jìn)行了PRO/E建模，由于有限元分析需要，去掉了內(nèi)部加強(qiáng)筋板及吊鉤附板，建模及分析過程見圖11—圖14。

圖11 平衡梁主梁建模示意圖

圖12 平衡梁主梁網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖13 施加約束情況

圖14 撓度ansys有限元分析結(jié)果

中心位置在發(fā)電機(jī)定子吊裝時(shí)最大向下?lián)隙葹?3.853mm≈L/939，這個(gè)下?lián)隙戎颠h(yuǎn)大于行車主梁的下?lián)现?。因此，平衡梁主梁的剛度滿足定子吊裝要求。

對于平衡梁次梁以下工裝，包括次梁、吊鉤組、鋼絲繩等的計(jì)算校核與通用百萬機(jī)組發(fā)電機(jī)定子吊裝一致，本文不再贅述。

2.7 分析計(jì)算總結(jié)

通過研究、計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)，在使用13m平衡梁主梁對行車梁上載荷進(jìn)行分配優(yōu)化后，其輪壓、行車梁強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求。但是在行車梁在吊裝定子工況下的靜剛度計(jì)算結(jié)果約為L/468，從表面上來看，這與橋式起重機(jī)靜剛度要求小于L/700相差較多，但是需要注意的是，橋式起重機(jī)定義中的靜剛度是去除了小車機(jī)構(gòu)以及行車梁自重以后的靜剛度，所以這里相差了一個(gè)小車和行車梁自重帶來的靜剛度修正值，計(jì)算出該修正值見表3。同時(shí)從定子吊裝作業(yè)的性質(zhì)來看，不能單純把定子吊裝過程看作是傳統(tǒng)起重機(jī)的傳統(tǒng)工作作業(yè)，無論從機(jī)構(gòu)動(dòng)作速度還是工作頻繁程序，都不能等同。GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》也規(guī)定：橋架型起重機(jī)中的手動(dòng)起重機(jī)垂直靜撓度f≤L/400；對采用低起升速度和低加速度能達(dá)到可接受定位精度要求的起重機(jī)，垂直靜撓度f≤L/500。ISO 22986：2007規(guī)定：起重機(jī)配置調(diào)速控制系統(tǒng)越完善程度越高，對結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛性要求可以越低，適用于采用低起升速度和低加速度能達(dá)到可接受定位精度要求的起重機(jī)，只要求靜態(tài)剛性滿足L/750～L/250。也不妨從另一個(gè)角度來分析這個(gè)問題，橋式起重機(jī)在載荷試驗(yàn)階段，必須進(jìn)行110%動(dòng)載荷全行程、全工況運(yùn)行作業(yè)，這個(gè)作業(yè)過程中對行車大梁的考驗(yàn)，遠(yuǎn)超定子吊裝工況，下面就分析對比在這兩種工況下，行車梁的彎矩、靜剛度數(shù)據(jù)。

行車梁靜剛度：

式中，M為外部載荷對行車大梁施加的最大彎矩，包括吊裝載荷及行車梁均布自重帶來的彎矩；L、E、I在本案例中為常量。

因此，行車梁的靜剛度與行車梁跨中所受的最大彎矩成正比，計(jì)算出兩種工況下行車梁的最大彎矩和靜剛度進(jìn)行對比，見表5。

表5 動(dòng)載荷試驗(yàn)與定子吊裝工況計(jì)算分析表

計(jì)算結(jié)果顯示，在定子吊裝工況下，行車梁的定義靜剛度約為L/648，略微高于橋式起重機(jī)靜剛度要求，但是略低于動(dòng)載荷試驗(yàn)極限工況的L/635。

因此，可得出如下結(jié)論：無論從靜力學(xué)分析還是工作動(dòng)載系數(shù)方面考慮，定子吊裝工況下，行車大梁受到的考驗(yàn)要小于動(dòng)載荷試驗(yàn)中受到的考驗(yàn)，在安全技術(shù)方案落實(shí)到位的情況下，加強(qiáng)過程監(jiān)控，該方案進(jìn)行定子吊裝的風(fēng)險(xiǎn)完全可控。

3 驗(yàn)證實(shí)施

通過上述計(jì)算分析，我們設(shè)計(jì)了新的平衡梁主梁并實(shí)施了印尼芝拉扎三期電廠工程的發(fā)電機(jī)定子吊裝。為了驗(yàn)證分析結(jié)果并確保吊裝的安全實(shí)施，在吊裝的各個(gè)環(huán)節(jié)制定了嚴(yán)密的安全技術(shù)措施。在吊裝過程中對行車梁的靜剛度進(jìn)行了監(jiān)測紀(jì)錄。同時(shí)，為了驗(yàn)證計(jì)算分析數(shù)據(jù)，整理行車載荷試驗(yàn)期間數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，見表6。

表6 行車大梁下?lián)隙葦?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

從實(shí)施結(jié)果來看，實(shí)際測量的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致，定子吊裝過程的實(shí)際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)偏差值略大于動(dòng)載荷試驗(yàn)工況的實(shí)際與理論偏差值。這個(gè)與未考慮擱置架在行車梁上的分載效應(yīng)有一定關(guān)系。

本案例的實(shí)施，可以為同類型火電百萬機(jī)組發(fā)電機(jī)定子吊裝提供參考借鑒，在特定的條件下，合理利用行車梁的載荷優(yōu)化，達(dá)到預(yù)期的效應(yīng)，這也是載荷優(yōu)化在工程應(yīng)用上的一個(gè)很好案例。