(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

目前，由于柴油發(fā)電機(jī)組都經(jīng)過(guò)整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)后出廠，普遍采用整裝法吊運(yùn)安裝。為了保證柴機(jī)油組的安全快速吊運(yùn)，機(jī)組吊裝均需使用特制吊具。特制吊具應(yīng)根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組的幾何尺寸、重量、重心位置等特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠合理分配各吊點(diǎn)的受力，保證柴油發(fā)電機(jī)組的平穩(wěn)起吊，不使柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生過(guò)大變形，保證柴油發(fā)電機(jī)組的裝配精度?？紤]到柴油發(fā)電機(jī)組可能會(huì)經(jīng)歷有多次試驗(yàn)和維修，需要反復(fù)使用吊具進(jìn)行吊運(yùn)。吊具設(shè)計(jì)的合理與否，以及吊具的力學(xué)性能和安全性，直接影響機(jī)組吊裝的成敗。大型柴油發(fā)電機(jī)組造價(jià)昂貴，一旦吊具設(shè)計(jì)失敗，將會(huì)造成機(jī)組破壞性的損傷甚至人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失和影響不可估量。

1 吊具設(shè)計(jì)及吊裝方法

1.1 設(shè)計(jì)需求

柴油發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)10.5 m，寬3 m，高4.2 m。重約920 kN，機(jī)組運(yùn)輸?shù)鬃亓考s為5 t，吊運(yùn)時(shí)連同運(yùn)輸?shù)鬃煌鸬酢Ｓ捎跈C(jī)組重量大、跨度長(zhǎng)，起吊時(shí)容易發(fā)生中部下沉現(xiàn)象，造成高彈性聯(lián)軸器等連接構(gòu)件變形損壞，故在機(jī)組公共底座中部布置輔吊點(diǎn)。機(jī)組及其吊點(diǎn)位置見圖1。

圖1 機(jī)組及吊點(diǎn)位置示意

吊具設(shè)計(jì)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組的平穩(wěn)起吊，用簡(jiǎn)便易行的方法實(shí)現(xiàn)吊裝過(guò)程中的重心調(diào)整；考慮余量，吊具的設(shè)計(jì)載荷為1 000 kN；吊裝過(guò)程中需避免吊索具對(duì)機(jī)組及其附件造成干涉、擠壓；吊具屬于吊裝設(shè)備，按照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吊具的吊梁整體為田字形框架結(jié)構(gòu)，框架4角設(shè)有大肘板保證穩(wěn)定性?？蚣芸傞L(zhǎng)為5.5 m、寬為3 m、高約1.1 m。梁體截面為H型鋼。吊梁上部設(shè)4個(gè)吊裝孔，通過(guò)卸扣、吊帶與行車吊鉤相連。吊梁下部主吊點(diǎn)吊裝孔設(shè)計(jì)成沿長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ設(shè)置一排多個(gè)吊裝孔，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)際重心與理論重心存在差異時(shí)，可以通過(guò)選擇不同的吊裝孔進(jìn)行調(diào)整。2個(gè)輔助吊點(diǎn)配有手拉葫蘆和測(cè)力計(jì)，可以調(diào)節(jié)控制輔助吊點(diǎn)承載。見圖2。

圖2 吊具結(jié)構(gòu)及原理示意

H型鋼翼板等寬等厚，側(cè)向剛度大，上下翼板相互平行，相比其他型材加工安裝方便，而且抗彎能力強(qiáng)，是吊梁的理想截面形式。

框架式吊梁形式構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于制作，框架的寬度與柴油機(jī)寬度一致，可以避免索具與柴油機(jī)及配件發(fā)生干涉、擠壓。

由于柴油發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)度達(dá)10 m，如果僅采用4點(diǎn)起吊方式，跨度過(guò)大，會(huì)造成機(jī)組中部下沉的情況，導(dǎo)致機(jī)組高彈性聯(lián)軸器等連接結(jié)構(gòu)變形過(guò)大影響機(jī)組整體性能。因此，在吊具中部增加2個(gè)輔助吊點(diǎn)，寬度方向?qū)ΨQ布置，這樣可以有效減輕機(jī)組中部下沉的程度，保證機(jī)組安裝質(zhì)量。

柴油發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、安裝使用、檢修等情況下，機(jī)組重心位置不可避免的發(fā)生變化，將吊梁下部主吊點(diǎn)系掛孔設(shè)計(jì)為一排多孔形式，以間距150 mm等距分布，可以調(diào)整4個(gè)主吊點(diǎn)系掛孔的位置，保證柴油發(fā)電機(jī)組平穩(wěn)起吊。

1.3 吊裝方法

柴油發(fā)電機(jī)組正式吊運(yùn)前，需進(jìn)行試吊，通過(guò)多次試吊，調(diào)整4個(gè)主吊點(diǎn)吊裝孔的位置，保證吊鉤與柴油發(fā)電機(jī)組重心在同一豎直線上。各吊裝孔位置確定好后，緩慢起吊，主吊點(diǎn)吊帶張緊后實(shí)時(shí)觀察起重機(jī)上顯示的載荷，達(dá)到800 kN前，輔助吊點(diǎn)索具上遠(yuǎn)程遙感測(cè)力計(jì)的示值始終保持在100 kN，少增多減，操作輔助吊點(diǎn)的手拉葫蘆隨時(shí)調(diào)節(jié)(見圖2b))，直至機(jī)組整體脫離地面。緩慢提升機(jī)組距離地面200 mm，確認(rèn)所有索具連接牢固后，緩慢進(jìn)行起吊轉(zhuǎn)運(yùn)。

1.4 強(qiáng)度校核

運(yùn)用CAE技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，快速計(jì)算，找到吊具設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。相比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，更加準(zhǔn)確，能夠考慮不同吊具的更多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

1.4.1 有限元模型

應(yīng)用ANSYS進(jìn)行有限元計(jì)算，幾何清理和網(wǎng)格劃分在Hypermesh中完成。在Inventor中建立幾何模型。采用Shell181單元進(jìn)行模擬，能夠更好地反映結(jié)構(gòu)彎曲情況。吊耳中心點(diǎn)選用Mass21質(zhì)量點(diǎn)單元，并建立多點(diǎn)約束區(qū)域。整體網(wǎng)格尺寸約為50 mm,吊耳處網(wǎng)格適當(dāng)細(xì)化。有限元模型見圖3。

圖3 吊具有限元模型

1.4.2 材料屬性

吊梁主體材料為Q235，屈服極限235 MPa，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg/mm3。

1.4.3 載荷工況

吊具設(shè)計(jì)載荷為1 000 kN，計(jì)算載荷取為設(shè)計(jì)載荷的1.25倍，即1 250 kN。由于柴油發(fā)電機(jī)組吊裝作業(yè)過(guò)程起重設(shè)備運(yùn)行緩慢，動(dòng)載荷很小，并且不會(huì)在大風(fēng)雨雪天氣進(jìn)行作業(yè)，因此,不考慮動(dòng)載荷系數(shù)和環(huán)境載荷系數(shù)。

1.4.4 靜力分析結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果云圖(見圖4)可知，吊具最大von-Mises應(yīng)力為136.95 MPa。出現(xiàn)在上吊耳與吊梁焊接處。根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，安全系數(shù)為1.48，許用應(yīng)力為158.784 MPa。表明吊具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 吊具von-Mises應(yīng)力云圖

吊具剛度應(yīng)滿足靜撓度要求，吊具有效懸臂長(zhǎng)度為3 200 mm，許用靜撓度為[f1]=(1/350)×3 200=9.14 mm。吊具最大位移為0.77 mm，且出現(xiàn)在吊耳與肘板相連處，可見吊具的剛度位移滿足要求，見圖5。

圖5 吊具位移云圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

加載試驗(yàn)是對(duì)吊具承載能力最直接的驗(yàn)證，試驗(yàn)中還可以發(fā)現(xiàn)一些預(yù)料不到的操作問(wèn)題。加載試驗(yàn)分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。考慮到柴油發(fā)電機(jī)組吊裝時(shí)吊車速度慢、精度高，吊裝過(guò)程中動(dòng)載荷很??；另外試驗(yàn)吊車與吊裝車間使用的吊車不同，動(dòng)載試驗(yàn)本身無(wú)法模擬實(shí)際使用情況；而且根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，靜載試驗(yàn)載荷已經(jīng)較為保守，能夠充分驗(yàn)證吊具承載能力，因此，免去動(dòng)載試驗(yàn)。

靜載試驗(yàn)載荷為1 250 kN，為吊具設(shè)計(jì)載荷的1.25倍。試驗(yàn)用的起重設(shè)備為大型汽車吊，最大額定起重量為5 000 kN。試驗(yàn)砝碼為鑄鐵砝碼，單塊重量分為50及100 kN。共取1 200 kN配重砝碼均勻置于配重框架上，保證載荷重心與吊鉤在同一豎直線上。配重框架重為50 kN。

試驗(yàn)準(zhǔn)備就緒后，緩慢操作吊車提升負(fù)載，負(fù)載離開地面100～200 mm高度，保持10 min。

卸載后觀察吊具外觀，未發(fā)現(xiàn)裂紋、油漆脫落等對(duì)吊具性能和安全有影響的損壞，各焊縫完好。吊帶沒(méi)有崩開撕裂，吊耳耳孔沒(méi)有變形。重新測(cè)量吊具尺寸，與試驗(yàn)前吊具尺寸對(duì)比，未發(fā)生變化。

3 結(jié)論

大型柴油發(fā)電機(jī)組專用吊具針對(duì)特定的柴油發(fā)電機(jī)組而設(shè)計(jì)，使用范圍有限，批量小。在滿足使用要求的前提下，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)周期、運(yùn)輸存放等問(wèn)題。目前，該吊具已經(jīng)多次順利完成柴油發(fā)電機(jī)組的吊裝任務(wù)，效果良好。設(shè)計(jì)合理、適用、操作簡(jiǎn)便的專用吊具，不僅滿足吊裝作業(yè)需求，提高了吊裝效率，而且對(duì)保障機(jī)組的質(zhì)量、安全，以及施工人員的人身安全都具有重要意義。