劉 威

徐州維爾力德重工科技有限公司 江蘇徐州 221000

20t 核電起重機(jī)用于在反應(yīng)堆停堆換料或大修期間起吊上部設(shè)備閘門蓋，使得設(shè)備能夠運(yùn)入（或運(yùn)出）安全殼。根據(jù)《設(shè)備規(guī)范書》的要求，在極限安全地震震動(dòng)（SL- 2，相當(dāng)于SSE 表示的地震水平）的載荷下，不應(yīng)導(dǎo)致設(shè)備和載重的破壞，以確保設(shè)備和載重不會跌落。為滿足供需雙方對核電起重機(jī)的需求，保證各項(xiàng)性能安全可靠，采用反應(yīng)譜法對20t 核電起重機(jī)進(jìn)行多種工況的靜動(dòng)力分析研究。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 有限元模型

閘門吊車平臺等為箱型結(jié)構(gòu)，通過shell 單元模擬，軸等零件用beam 單元進(jìn)行模擬。減速器、電動(dòng)機(jī)等不參與計(jì)算的部件，因沒有進(jìn)行建模而造成的質(zhì)量損失，通過修改調(diào)整單元密度的方式使模型質(zhì)量和原車質(zhì)量一致。起升卷筒和軸承座均以shell 單元模擬。

鋼絲繩用Link180 受拉桿單元模擬，通過8 根桿單元來模擬實(shí)際起升機(jī)構(gòu)的鋼絲繩纏繞方式，能夠很好地模擬機(jī)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。鋼絲繩與起升卷筒通過node 點(diǎn)連接，在地震工況下會造成應(yīng)力和位移偏大。

1.2 施加邊界條件

閘門起吊裝置附屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以均布載荷或集中質(zhì)量載荷的形式施加在起重機(jī)的相應(yīng)位置，均布載荷以調(diào)整模型密度的形式施加。

閘門吊車的上平臺結(jié)構(gòu)與連接支座通過螺栓連接點(diǎn)位置進(jìn)行全位移耦合約束限制自由度；連接支座的焊接位置通過全位移約束限制自由度。這種關(guān)聯(lián)方式比較保守，會造成集中載荷，同時(shí)在地震工況下應(yīng)力和位移會偏大。

上平臺結(jié)構(gòu)與連接支座的耦合約束點(diǎn)施加約束如表1 所示，約束點(diǎn)位置參見圖1。

表1 上平臺結(jié)構(gòu)與連接支座耦合約束用表

2 載荷工況的選取

2.1 阻尼系數(shù)的選取

閘門吊車裝置支撐平臺標(biāo)高為+27.21m，根據(jù)《設(shè)備規(guī)范書》中提供數(shù)據(jù)選取+27.21m 的樓面反應(yīng)譜。根據(jù)NB/ T202304- 2013 核電廠起重機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)行極限安全地震（SL- 2）工況抗震計(jì)算時(shí)，阻尼比不應(yīng)大于7%；運(yùn)行安全地震（SL- 1）工況抗震計(jì)算時(shí)，阻尼比不應(yīng)大于4%。綜合選取地震阻尼比為4%。

2.2 振型組合

地震情況下，閘門起吊裝置的X、Y、Z 三個(gè)方向均會受到地震影響，故模型應(yīng)分別計(jì)算這三個(gè)方向的受力狀況，再對各方向的結(jié)果進(jìn)行疊加。即采用CQC 法，X、Y、Z三個(gè)方向譜響應(yīng)的完全疊加。靜載和地震載荷計(jì)算結(jié)果按照最不利方式進(jìn)行組合。根據(jù)建模情況，Z 方向受縱波影響，X、Y 方向受橫波影響。

2.3 工況選取

工況選取考慮的載荷組合見式（1）。閘門吊車工況說明見表2。

表2 閘門吊車工況說明

式中：φ1——起升沖擊系數(shù)；

φ2——起升動(dòng)載系數(shù)；

檢測血清中總膽固醇(CHO)、甘油三酯(TG)、高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)、低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)、空腹血糖(FBG)、血紅蛋白(Hb)。CHO、TG、HDL-C、LDL-C、FBG采用氧化酶法,儀器為日本奧林巴斯AU400,試劑為奧林巴斯配套試劑;Hb采用氰化物法,儀器為日本希斯美康KX-21N,試劑為希斯美康配套試劑。

PG1——吊車上平臺的重力；

PG2——吊鉤組的重力；

Pq——起升重物的重力。

3 有限元分析結(jié)果

靜力分析、SL- 2 分析和相應(yīng)分析結(jié)果的提取分別見圖2、圖3 和表3—表5。

圖3 SL- 2 工況Von Mises 等效應(yīng)力及位移矢量和云圖

表3 應(yīng)力分析結(jié)果

表4 位移分析結(jié)果

4 SL- 2 工況起重機(jī)平臺固定螺栓受力計(jì)算

應(yīng)力云圖及表5 螺栓支座反力顯示，點(diǎn)7916 處螺栓受力最大，因此提取該處的力驗(yàn)算螺栓強(qiáng)度。根據(jù)GB/ T3811- 2008 中5.4.2.2.2.1，單個(gè)摩擦型高強(qiáng)度螺栓承載能力計(jì)算式見式（2）。

表5 螺栓連接支反力

式中：[Pt]——受拉連接中單個(gè)摩擦型高強(qiáng)度螺栓許用承載能力，71kN；

σs1——高強(qiáng)螺栓材料屈服點(diǎn)，640MPa；

A1——螺栓有效截面，353mm2；

n——安全系數(shù)，1.48；

式中：σf——螺栓所受拉伸應(yīng)力值，96.36MPa；

N1——螺栓所受軸向力，34015N。

螺栓抗剪強(qiáng)度校核見式（4）。

式中：τf——螺栓所受剪切應(yīng)力值，83.87MPa；

根據(jù)第三強(qiáng)度理論，計(jì)算復(fù)合力（式5）。

式中：σp——螺栓應(yīng)力值，193.4MPa；

表6 螺栓計(jì)算校核結(jié)果匯總

5 結(jié)論

通過以上分析結(jié)果可知，整機(jī)的最大變形發(fā)生在下部閘門吊車SL- 2 工況吊鉤處，數(shù)值為84mm。通過與支撐平臺和底架的變形數(shù)值對比發(fā)現(xiàn)，該處的變形主要由鋼絲繩穿線的方式、鋼絲繩受拉伸長，以及地震影響下重物的擺動(dòng)造成。雖然對整機(jī)結(jié)果的安全性影響不大，但要考慮重物擺動(dòng)時(shí)對廠房內(nèi)其他物件的影響。

由分析云圖可知，閘門吊的最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊車與安裝平臺螺栓連接處，靜力工況計(jì)算最大應(yīng)力為144MPa，小于233MPa；SL- 2 地震工況計(jì)算最大應(yīng)力為185MP，小于許用應(yīng)力345MPa；螺栓連接最大應(yīng)力為193.4，小于234MPa。以上結(jié)果均滿足《GB/ T3811- 2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《NB/ T20234 核電廠專用起重機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》中所提到的要求，所以起重機(jī)及其平臺的強(qiáng)度滿足抗震要求。