有限元分析技術在大型固定全回轉起重機升級改造中的運用

張榮軍 王俊君

（上海電力機械有限公司，上海 200245）

某核電站擴建工程中，最重設備為發電機定子，約462t。經過對不同運輸方案的比較，以及對原400t固定式全回轉起重機的整體評估，方案在設定起重機垂直軸力增加150t，調整傾覆力矩不變的原則下，考慮盡可能利用原機部件，將400t固定式全回轉起重機主鉤額定起重量提升到530t，滿足擴建工程所有大件設備的吊裝運輸要求。

升級改造主要采用校核計算的方法，即將升級改造后的額定起重量530t施加到起重機上，在最危險的工況下，對原起重機的主要結構件、運行機構和零部件等進行校核計算，根據計算的結果，對滿足要求的部件保持不變，無法滿足要求的部件進行重新設計、制造。本文采用有限元分析的方法，對改造前后的筒體進行校核計算，來確定滿足工程新需求的設計方案。升級改造后設備總圖如圖1所示。

圖1 升級改造后設備總圖

1 改造前筒體分析計算

1.1 計算工況

工況1：21.5m幅度，工作工況；工況2：10m幅度，非工作工況；工況3：21.5m幅度，靜載試驗工況；工況4：21.5m幅度，動載試驗工況。

1.2 載荷

1.2.1 均布載荷計算

（1）工作工況起升動載系數：φ2=1.056；試驗工況起升動載系數：φ6=1.028。

（2）圓筒自重載荷：ANsYs軟件中圓筒自重以均布載荷即重力加速度的形式加載：az=10.81。

（3）風載荷：風載荷在程序中給出相應的加速度值，由程序自動計算，作用在結構上，如表1所示。

表1 風載荷對應的加速度

1.2.2 各工況載荷

各工況載荷如表2所示。

表2 各工況載荷數值

1.2.3 各工況加載力的換算

各工況加載力的換算如圖2所示。

圖2 傾覆力矩換算計算簡圖

表3 各工況載荷換算

水平載荷作用在圓筒門架中樞軸孔處，按節點載荷處理作用在模型上。傾覆力矩按照軌道支撐和反滾輪的位置，處理為垂直載荷，前軌道支撐處載荷等效到內外圈處理成為線載荷，如表3所示。

1.3 改造前筒體的計算結果

（1）首先選擇在工作工況下對起重機進行分析計算，如果驗算通過，則選擇其他工況再進行分析計算，否則說明該起重機原筒體無法滿足起重機升級改造后的使用要求，如圖3所示。

圖3 整體等效應力云圖（工作工況）

（2）結果分析及結論。結構等效應力最大為330MPa，圓筒的制造材質為Q235-B，其屈服極限是235MPa，產生的部位是圓筒下軌道支撐的三角筋板與法蘭連接處，取設計規定的安全系數1.34，許用應力值為176MPa，最大應力數值已經超過了該數值，表明圓筒結構強度不能滿足使用要求。

2 筒體改造方案

針對筒體，其加強方法如圖4所示。

3 筒體改造后的分析計算

3.1 載荷

筒體每12°輪壓中，在各工況下，最大受壓載荷為275.6t，最大受拉載荷為174.3t。為簡化計算，整個筒體軌道整體受壓8268t，受拉5229t。

3.2 改造后筒體的計算結果

3.2.1 受壓工況

（1）強度驗算。忽略應力集中造成的局部高應力，筒體主結構的最大應力如圖5所示，為144MPa，小于該工況許用應力，驗算通過。

圖4 筒體改造方法

（2）穩定性驗算。一階失穩模態如圖6所示，載荷放大系數為4.9887，大于該工況安全系數，驗算通過。

圖5 受壓工況模型筒體主結構應力云圖

圖6 受壓工況模型一階失穩模態

3.2.2 受拉工況

（1）強度驗算。忽略應力集中造成的局部高應力，筒體主結構的最大應力如圖7所示，為91.2MPa，小于該工況許用應力，驗算通過。受拉情況無需進行穩定性驗算。

由以上的計算結果得出，改造后的圓筒滿足計算要求。

4 結論

對原有起重機進行升級改造，提高其額定起重量，盡可能地利用原起重機的部件進行重新修改設計，滿足工程建設新的需求，可以大大節省起重機的制造、安裝成本，經濟效益和社會效益顯而易見。本文通過總體方案的優化設計和利用有限元分析的技術手段，對筒體的改造進行分析計算，確定優化設計方案，為起重機升級改造方案的具體實施提供了強有力的技術理論支持。

圖7 受拉工況模型筒體主結構應力云圖