李新輝

（中國有色金屬工業(yè)第六冶金建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450000）

在設(shè)備安裝過程中，多數(shù)重型設(shè)備的安裝都是在設(shè)備底表面水平固定，即水平安裝。水平安裝設(shè)備關(guān)鍵部位位移一般不會超出設(shè)計標準。但是有些重型設(shè)備不是水平安裝，安裝固定位置比較特殊，結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，很容易發(fā)生關(guān)鍵部位位移超標的問題。傳統(tǒng)解決方式主要靠經(jīng)驗，多種方法不斷嘗試，直到解決為止。傳統(tǒng)解決方式工期長、成本高，并且不一定是最優(yōu)方式，越來越不適用。為了更好的解決此類問題，避免傳統(tǒng)方式的不足，我們創(chuàng)新一種通過計算機仿真技術(shù)在電腦中模擬重型設(shè)備安裝狀態(tài)的受力變形情況，進行多種解決方案效果模擬，高效、經(jīng)濟的解決了關(guān)鍵部位位移超標問題[1]。

1 工程概況

1.1 生產(chǎn)線設(shè)備情況

中鋁瑞閩股份有限公司汽車板項目2400mm氣墊式連續(xù)熱處理線設(shè)備安裝包括開卷系統(tǒng)、剪切系統(tǒng)、糾偏裝置、熱處理系統(tǒng)、卷取系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。

1.2 糾偏裝置位移超標情況

熱處理線設(shè)備上有多臺糾偏裝置，其中，多數(shù)糾偏裝置都是水平安裝于車間地坪基礎(chǔ)或者鋼結(jié)構(gòu)平臺上，安裝位置精度都符合設(shè)計標準。而7號糾偏裝置屬于特殊部位安裝，即懸空側(cè)裝于鋼結(jié)構(gòu)立柱的側(cè)面，安裝完成并去掉各項支撐措施后，上部糾偏輥頂面標高發(fā)生6mm的向下位移，嚴重超出設(shè)計標準。

需要說明一點的是，7號糾偏裝置安裝驗收的關(guān)鍵依據(jù)就是兩個糾偏輥的頂面標高。

下圖1中與左側(cè)框架鋼結(jié)構(gòu)四根H型鋼橫梁（下部兩根，上部兩根）連接的設(shè)備就是7號糾偏裝置。7號糾偏裝置重量13.6噸，主要由上下兩個同尺寸糾偏輥以及固定兩個糾偏輥的兩個“田字形”鋼構(gòu)件組成。下圖1中7號糾偏裝置上部被遮擋部分可以參考圖2。

圖1 7號糾偏裝置

圖2 7號糾偏裝置安裝位置3D模擬圖

2 7號糾偏裝置位移超標情況分析

2.1 固定7號糾偏輥的框架鋼結(jié)構(gòu)情況

從圖1、圖2可以看出，固定7號糾偏裝置的框架鋼結(jié)構(gòu)位于一個鋼筋混凝土基礎(chǔ)坑內(nèi)，框架鋼結(jié)構(gòu)的4根立柱通過地腳螺栓固定于下方的混凝土基礎(chǔ)上，7號糾偏裝置通過4塊剛襯板焊接在框架鋼結(jié)構(gòu)的4根H型鋼橫梁上。

2.2 7號糾偏裝置安裝工藝簡要介紹

用橋式起重機吊起7號糾偏裝置，使7號糾偏裝置和框架鋼結(jié)構(gòu)的連接部位靠緊；同時在7號糾偏裝置的下部設(shè)置剛性支撐和螺旋千斤頂；側(cè)部使用夾具施加水平力，使7號糾偏裝置和框架鋼結(jié)構(gòu)的4根H型鋼橫梁緊密接觸；在以上措施的配合下把7號糾偏裝置調(diào)整到設(shè)計位置，測量合格后在連接部位焊接牢固。焊點冷卻到規(guī)定時間后撤掉各項安裝輔助措施。

2.3 支撐措施拆除前后狀態(tài)對比分析

各項安裝輔助措施撤掉前，7號糾偏裝置的重力全部由吊車和下部支撐措施承擔，框架鋼結(jié)構(gòu)與7號糾偏裝置連接的4根H型鋼橫梁只承擔水平力（抗傾覆力）。水平力和7號糾偏裝置的重力相比是較小的。各項支撐措施拆除后，7號糾偏裝置的全部重力都由框架鋼結(jié)構(gòu)承擔，并且是懸臂狀態(tài)安裝，整體結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜。

經(jīng)過排查，7號糾偏裝置是整體安裝，沒有發(fā)現(xiàn)由制造原因?qū)е旅黠@變形的因素；框架鋼結(jié)構(gòu)制造方面的瑕疵也不足以產(chǎn)生明顯變形。7號糾偏裝置安裝位置屬于懸臂安裝，在自身重力作用下有一定的下?lián)隙仁钦５??？蚣茕摻Y(jié)構(gòu)在13.6噸的偏心重力作用下發(fā)生變形也是必然的。綜上可以得出，導致糾偏輥位移超標主要是7號糾偏裝置下?lián)献冃魏涂蚣茕摻Y(jié)構(gòu)的變形綜合導致。

3 變形解決方案

7號糾偏裝置和框架鋼結(jié)構(gòu)的變形情況以及減小變形措施的效果可以通過計算機仿真技術(shù)來模擬。計算機仿真技術(shù)選用的軟件是solidworks，該軟件包含建模和仿真分析等功能，完全滿足使用要求[2]。以下為軟件具體應(yīng)用步驟。

3.1 計算機模型建立

首先對各構(gòu)件進行三維建模。建模的原則是：對框架鋼結(jié)構(gòu)和7號糾偏裝置的主要受力構(gòu)件和組成部分進行建模，對結(jié)構(gòu)受力影響很小的部分不再建模[3]。下圖3是完成的計算機三維模型：

圖3 7號糾偏裝置與框架鋼結(jié)構(gòu)三維裝配模型

圖3中框架鋼結(jié)構(gòu)長寬高為5200mmX5600mmX5600mm，由HW500X475、HW400X400、HW350X350、HW300X300和HW250X250等H型鋼焊接而成。4根立柱通過地腳螺栓固定在鋼筋混凝土基礎(chǔ)上。7號糾偏裝置連接4塊鋼襯板的“田字形”鋼構(gòu)件由250mmX250mm的方管焊接而成，寬高為4100mmX5200mm；固定糾偏輥的“田字形”鋼構(gòu)件也是由250mmX250mm的方管焊接而成，寬高為3200mmX4800mm；兩塊“田字形”鋼構(gòu)件通過高強螺栓連接在一起。兩個糾偏輥由鋼管和鋼棒加工焊接而成，直徑1200mm，長度2500mm，糾偏輥芯軸兩端通過軸承固定在“田字形”鋼構(gòu)件的四根工字鋼上。

3.2 應(yīng)力分析過程與結(jié)果

打開solidworks的仿真分析模塊，調(diào)入圖3所示的模型，將框架鋼結(jié)構(gòu)的4根立柱底部固定，在重力的作用下，進行應(yīng)力分析，輸出各部位位移分析結(jié)果，如下圖4所示（圖4中英文URES代表的是位移，單位是mm，6.012e+00表示6.012x100=6.012，5.010e-01=5.010x10-1=0.501，下同）[4]。

圖4 各部位位移圖

從圖4中可以看出，最大位移量為6.012mm，位置位于7號糾偏裝置上部糾偏輥的上頂面。計算機仿真應(yīng)力分析的結(jié)果與7號糾偏裝置安裝完成后的實測誤差基本一致。

從圖4中也反映出框架鋼結(jié)構(gòu)和7號糾偏裝置都發(fā)生一定程度的變形。和上文分析的結(jié)論是一致的。

3.3 確定最優(yōu)變形控制措施

3.3.1 措施選擇

（1）第一種措施：增強框架鋼結(jié)構(gòu)主要受力變形部分的剛性。

（2）第二種措施：增大7號糾偏裝置主要受力變形部分的剛性。一般情況下，先采用第一種措施，第二種措施的采用要有兩個前提：一是采用第一種措施后還不能滿足設(shè)計要求，二是需要經(jīng)過設(shè)備供應(yīng)方和使用方的同意。

3.3.2 第一種措施的應(yīng)用

第一種措施在應(yīng)用過程中也有多種方式，每一種方式的效果是不一樣的。利用計算機仿真技術(shù)，在軟件中模擬每一種方式的效果，可以快速找到最佳的增加整體剛度的方式[5]。

（1）方式一：下部增加兩根型鋼斜撐。通過增加橫梁的支撐力，減小橫梁的變形，如下圖5所示：

圖5 橫梁增加型鋼斜撐示意圖

把圖5的模型導入到仿真軟件，應(yīng)力分析后的各部位位移情況如下圖6所示：

圖6 方式一的各部位位移圖

如圖6所示，7號糾偏裝置最大位移還是在上部偏導輥的上頂面，數(shù)值為5.274mm，與原設(shè)計相比有一定的改善，但改善程度較小[5]。

（2）方式二：加長橫梁之間的小立柱長度，使小立柱上部貫通到最上端的橫梁，下部延長到鋼筋混凝土基礎(chǔ)表面并螺栓固定。增加橫梁的整體剛度，如下圖7所示：

圖7 小立柱兩端延長示意圖

把圖7模型導入到仿真軟件，應(yīng)力分析后的各部位位移情況如下圖8所示：

圖8 方式二的各部位位移圖

如圖8所示，7號糾偏裝置最大位移仍然在上部偏導輥的上頂面，數(shù)值為4.943mm，與原設(shè)計相比有一定的改善，但改善程度還是較小。

（3）方式三：方式一和方式二都是增加豎直方向的支撐，如果在方式二的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加水平方向的支撐，這樣的話，承重橫梁在兩個受力方向上的剛度都得到了加強，如下圖9所示：

圖9 綜合剛度增強示意圖

把圖9模型導入到仿真軟件，應(yīng)力分析后的各部位位移情況如下圖10所示：

圖10 方式三的各部位位移圖

如圖10所示，模型上最大高程的偏差下降到了1.201mm，發(fā)生在下部糾偏輥的側(cè)部；上部糾偏輥上頂面的偏差不超過0.7mm，下部糾偏輥上頂面的高程偏差不足0.9mm；而框架鋼結(jié)構(gòu)的變形量控制在了0.1mm以內(nèi)。圖10的總體結(jié)果說明7號糾偏裝置糾偏輥發(fā)生的高程偏差絕大部分來自于框架鋼結(jié)構(gòu)的重力變形，并通過加強措施使整體結(jié)構(gòu)變形取得了非常好的改善效果。

根據(jù)以上三種方式，可以總結(jié)出，承重框架鋼結(jié)構(gòu)剛度增強需要在豎直和水平兩個方向上增加支撐措施，才能有效控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形量。

3.3.3 第二種措施的應(yīng)用

通過第一種措施的應(yīng)用，7號糾偏裝置糾偏輥位移量大大減小，但還不足以滿足設(shè)計要求，需要通過措施二來進一步減小位移量，直到滿足設(shè)計要求。措施二也有幾種方式，主要有以下兩種：方式一，增加支撐使“田字形”的變形量較?。环绞蕉?，調(diào)整糾偏輥兩端軸承的位置，使糾偏輥的空間位置滿足實際要求。

方式一也是采取如上文所展示的仿真技術(shù)進行模擬，比較適合大偏差調(diào)整。方式二只要松掉軸承固定螺栓，增加墊片即可，適合微調(diào)。根據(jù)糾偏輥的實際偏差，最后設(shè)備供貨方選擇方式二，即對糾偏輥軸承進行微調(diào)，使7號糾偏裝置的安裝關(guān)鍵部位的位移控制在0.5mm以內(nèi)，滿足了設(shè)計要求。

4 結(jié)語

計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用對解決重型設(shè)備特殊位置安裝所遇到的復(fù)雜問題提供了一種新的解決思路和方法，對精準施工起到了較大的輔助作用，施工效率、質(zhì)量等方面獲得了提高。