夏順俊，趙 俊，張仁強，戴如章

(江蘇省送變電有限公司，江蘇 南京 210028)

500 kV江陰長江第二跨越是華東電網(wǎng)500 kV輸變電網(wǎng)架的重要組成部分，采用“耐—直—直—耐”跨越方式?？缭剿缇啻?4 055 m)、高度高(385 m)，高塔組立、導線架設、附件安裝等工作均在高空進行，導致工程實施難度大，需要專業(yè)設備配套建設。

跨越塔組塔及架線施工時，高空作業(yè)人員每天要登上近400 m的高空中。若完全依靠人工登高，體力消耗大，耗時長。因此，有必要設置作業(yè)人員運輸施工升降機，用于在特大型輸電塔結構安裝和架線施工中垂直運輸作業(yè)人員。

1 升降機典型工況及吊籠載荷

本文以SCQ90型無對重中速傾斜式升降機為研究背景，該升降機由吊籠、導軌架、附墻架等部分組成，結構如圖1所示。相對于與輸電塔固定的導軌架和附墻架裝置，吊籠類似于可滑動懸臂結構，機械穩(wěn)定性較差；并且吊籠迎風面積大于導軌架與附墻架，受風載影響大。吊籠作為直接承載運輸人員至高空作業(yè)的裝置，其結構安全性直接影響到人員生命安全，是整體傾斜式升降機最核心部件，需要綜合考慮多方因素，對其機械結構強度和穩(wěn)定性準確校核。

圖1 SCQ90型無對重中速傾斜式升降機結構Fig.1 Structure of SCQ90 medium speed tilting elevator without counterweight

本文的主要研究對象為該無對重中速傾斜式升降機的吊籠裝置的結構強度和穩(wěn)定性。為了確保校核結果的準確性，首先充分考慮吊籠受力載荷，根據(jù)標準《吊籠有垂直導向的人貨兩用施工升降機》(GB/T 26557—2011)分析得到吊籠最危險載荷情況。為了加快工程校核速度，更加準確地描述吊籠實際應力、應變等特性，采用結構化方式對模型進行處理，并考慮焊接結構特性和材料內部阻尼特性等多種因素，采用有限元方法對其結構強度和穩(wěn)定性進行準確計算，最終得到吊籠結構校核結果并提出相應工程建議，以指導設計和施工。

SCQ90型號升降機及其運輸?shù)趸\主要參數(shù)見表1，吊籠具體結構如圖2所示。

表1 SCQ90型無對重中速傾斜式升降機主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of SCQ90 medium speed tilting elevator without counterweight

圖2 吊籠及其運行導軌架的三維結構Fig.2 Three dimensional structure of hanging cage and its running guide rail frame

為了確定吊籠受載最危險情況，根據(jù)《吊籠有垂直導向的人貨兩用施工升降機》(GB/T 26557—2011)，可以得到升降機典型工況(表2)。

表2 升降機典型工況Tab.2 Typical working conditions of elevator

選取異常情況下安全裝置作用時Ⅳ工況作為最危險工況進行計算分析：①超速安全裝置動作力比考慮了沖擊系數(shù)的運動載荷的作用力、裝載和卸載時產(chǎn)生的力都要大，應以超速安全裝置動作工況作為最危險的工況考慮；②本地區(qū)非工作狀態(tài)風壓取值1 kN/m2，對應于對應風速為VW=40 m/s(十級風)。該狀態(tài)下，升降機將不在工作狀態(tài)，可以通過技術管理措施，將吊籠降到地面。因此不考慮非工作狀態(tài)風壓下升降機的受力情況作為最危險工況。

在最危險情況下，吊籠載荷見表3。

表3 吊籠載荷Tab.3 Cage load kN

2 吊籠有限元計算研究

為確定吊籠構件在正常工況下的安全可靠性，需要對該構件在可能的外力作用下所產(chǎn)生的位移qe、應變與應力Pe等狀態(tài)信息進行分析。

對于結構簡單、受力情況單一的構件而言，可以通過材料力學的方法求得解析公式。但對于本文研究的吊籠復雜結構，解析方法很難求解出準確結果。因此本文采用有限元方法，即通過較多數(shù)量的簡單基本函數(shù)的組合來近似代替復雜的原函數(shù)，使結果更加準確，確保吊籠結構安全性。

2.1 吊籠支撐桿采用空間梁單元描述

吊籠內部支撐桿可采用三維梁單元描述，不但可明顯降低計算量、加快結構校核速度，并且采用一定結構件簡化描述可更有效地準確描述實際吊籠應力、應變大小。對于兩節(jié)點的空間梁單元，每個節(jié)點的位移自由度為6，根據(jù)有限元分析的標準流程，給出空間梁單元的節(jié)點位移列陣qe與節(jié)點力Pe列陣：

(1)

空間梁單元的單元剛度矩陣可以由各對應節(jié)點位移的剛度矩陣組合而成。

軸向位移ui，ui+1對應的剛度矩陣為：

(2)

扭轉角度θxi，θx，i+1，對應的剛度矩陣為：

(3)

式中，E和G分別為梁的彈性模量和剪切模量；A和l分別為梁的截面積和轉動慣量，各個量的大小與所計算方程取向相關。

2.2 吊籠支撐面采用空間板殼單元描述

對吊籠的支撐面建立有限元模型時，由于其厚度相比長度、曲率半徑等其他尺寸小得多，因此采用空間矩形平板殼單元進行描述。

四節(jié)點的空間矩形平板殼單元中，每個節(jié)點的自由度為6，殼體所受載荷主要分為彎矩和中面內力2部分。在有限元分析中，可以將薄殼單元中的應力看作平面應力與薄板彎曲應力的疊加?？臻g矩形平板殼單元的位移列陣同樣由面內變形位移分量[ui，vi]T、彎曲變形位移分量[wi，θxi，θyi]T與繞Z軸轉動的角位移θz組合而成。

qe=[q1，q2，q3，q4]T

(4)

式中，qi為每個節(jié)點的位移列陣。

qi=[ui，vi，wi，θxi，θyi，θzi]T，i=1，2，3，…

(5)

同樣將面內變形的剛度矩陣Kp與彎曲變形的剛度矩陣Kb組合得到四節(jié)點的空間矩形平板殼單元的剛度矩陣Ke。

(6)

其中，每個子塊為6×6的子矩陣。

(7)

根據(jù)上述剛度矩陣即可完成對板殼空間單元的有效描述。

2.3 空間四面體單元描述

吊籠復雜結構件采用空間四面體單元描述，由于吊籠除桿結構和板結構外，還存在很多負載結構件，空間四面體單元描述是最便捷的，其節(jié)點位移列陣與節(jié)點力列陣分別為：

qe=[u1，v1，w1，u2，v2，w2，u3，v3，w3，u4，v4，

w4]T

(8)

該單元的位移場表達為：

u=[N1V3N2V3N3V3N4V3]qe

(9)

式中，N3為3階單位矩陣，Ni可表示為：

(10)

根據(jù)空間幾何方程，可以得到應變場：

ε(x，y，z)=[?]u=[?]Nqe=Bqe

(11)

其中，幾何矩陣為：

B(x，y，z)=[?]N=[B1B2B3B4]

(12)

應力場的表達：

σ=Dε=DBqe=Sqe

(13)

式中，D為空間問題的彈性系數(shù)矩陣。

由此可以根據(jù)剛度矩陣的計算公式，得到空間4節(jié)點四面體單元的單元剛度矩陣：

(14)

綜上，吊籠各結構分別采用空間梁單元、板殼單元和四面體單元描述，該有限元模型能夠準確地用于分析吊籠結構強度和機械穩(wěn)定性。

3 吊籠結構強度校核

吊籠的主要結構為鋼結構構件焊接而成，采用焊接近似描述模型描述焊接結構，采用空間梁單元來模擬吊籠構架，選用空間板殼單元來模擬鋼板承載面。

對于吊籠所受載荷情況，根據(jù)表3可分為以下4種狀態(tài)：①無風載狀態(tài)；②迎面風載(X軸向)狀態(tài)；③左風載(Z軸正方向)狀態(tài)；④右風載(Z軸負方向)狀態(tài)。

對有限元模型分別施加4種不同的載荷狀態(tài)，最終求解得到有限元分析結果，最大變形位移、應變、應力見表4。

表4 不同載荷組合下的最大變形位移、應變、應力Tab.4 Maximum deformation displacement，strain and stress under different load combinations

相對于其他工況，在右風載(Z軸負方向)的載荷作用狀態(tài)下，吊籠產(chǎn)生的變形位移、應力和應變最大，如圖3所示，其中吊籠應力最大的部位出現(xiàn)在吊籠底部。由于計算應力值小于牌號為Q235的鋼材許用應力值，吊籠強度負荷實際工程要求。

圖3 右風載(Z軸負方向)狀態(tài)下吊籠計算結果Fig.3 Calculation results of cage under right wind load (negative direction of Z axis)condition

4 吊籠機械穩(wěn)定性分析

吊籠機械結構穩(wěn)定性決定了其在特殊的工作頻率下，可保持原結構、不產(chǎn)生較大振動。需要對吊籠結構進行模態(tài)分析。首先對模型進行簡化，主要是剔除了對模態(tài)影響不大但難以劃分網(wǎng)格的背板結構。然后將第2節(jié)中有限元剛度模型中的靜剛度系數(shù)K替換為復剛度系數(shù)K(s)=K+sL，其中阻尼系數(shù)L反映了材料和簡化結構內部阻尼因素。計算得到的前十階模態(tài)頻率，當階數(shù)分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9時，頻率為12.599、20.591、22.114、23.564、25.459、30.777、32.187、33.451 Hz。

吊籠一階響應模態(tài)與二階響應模態(tài)如圖4所示。

圖4 吊籠模態(tài)陣型Fig.4 Modal formation of hanging cage

從圖4中可以看出，吊籠的一階模態(tài)響應主要是由上端用于調整角度的可調節(jié)連接桿引起，其起到的是二力桿的作用，但對側向載荷比較敏感。為了防止連接桿的強度受到影響，吊籠在工作狀態(tài)下應盡可能避免一階振動模態(tài)。其二階模態(tài)響應主要是吊籠框架結構引起，其他高階振動模態(tài)的產(chǎn)生原理相同，吊籠同樣應盡量避免在該頻率下運行。

5 結論

本文以500 kV江陰長江第二跨越塔組塔傾斜式升降機為研究背景，對該升降機的典型工作狀態(tài)和最危險載荷情況進行了研究，目的是對運輸?shù)趸\裝置這一重要結構的工程安全性進行校核，從而保障人員施工作業(yè)安全。

為了準確校核吊籠結構機械強度和穩(wěn)定性，本文對其結構有限元模型進行了充分研究，對內部支撐桿和支撐板進行了結構化處理，采用空間梁單元和空間板殼單元進行準確描述；除此之外，在進行模態(tài)分析時，充分考慮了材料自身和空間結構的阻尼特性。通過詳細的靜載特性與動力學振動特性有限元計算，得到以下結論。

(1)吊籠內產(chǎn)生應力的主要來源為風載，計算模型中的最大應力小于材料本身的許用應力，結構強度校核安全；由于風載等動載荷持續(xù)時間短，而靜應力數(shù)值小，因此疲勞強度校核同樣滿足標準。

(2)吊籠的模態(tài)分析結果表明，吊籠在實際工況下最容易產(chǎn)生的模態(tài)振動為一階響應模態(tài)，頻率為12.599 Hz，能夠在很大程度上避開實際電機運行及驅動頻率，機械運行穩(wěn)定。

上述結論對于指導500 kV江陰長江第二跨越塔組塔傾斜式升降機及其運輸?shù)趸\的結構設計和施工具有重要的指導意義，另外根據(jù)研究結果，對該傾斜式升降機吊籠方案提出相應的工程建議：

(1)雖然吊籠底部板材強度滿足實際工程需要，但出于施工安全性考慮，可以繼續(xù)加強吊籠底部板材強度，同時吊籠中載重位置應盡量靠近導軌架中心位置，以減少懸臂和偏載；

(2)吊籠在實際工作時應當避開一階振動頻率12.599 Hz，同時對升降機系統(tǒng)中5 Hz以上的激勵振動源進行隔震處理。