利用仿真技術解決重型設備特殊位置安裝難題

李新輝

（中國有色金屬工業第六冶金建設有限公司，河南 鄭州 450000）

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

1 工程概況

1.1 生產線設備情況

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

1.2 糾偏裝置位移超標情況

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

需要說明一點的是，7號糾偏裝置安裝驗收的關鍵依據就是兩個糾偏輥的頂面標高。

下圖1中與左側框架鋼結構四根H型鋼橫梁（下部兩根，上部兩根）連接的設備就是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構情況

從圖1、圖2可以看出，固定7號糾偏裝置的框架鋼結構位于一個鋼筋混凝土基礎坑內，框架鋼結構的4根立柱通過地腳螺栓固定于下方的混凝土基礎上，7號糾偏裝置通過4塊剛襯板焊接在框架鋼結構的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構的連接部位靠緊；同時在7號糾偏裝置的下部設置剛性支撐和螺旋千斤頂；側部使用夾具施加水平力，使7號糾偏裝置和框架鋼結構的4根H型鋼橫梁緊密接觸；在以上措施的配合下把7號糾偏裝置調整到設計位置，測量合格后在連接部位焊接牢固。焊點冷卻到規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，框架鋼結構與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構承擔，并且是懸臂狀態安裝，整體結構受力比較復雜。

經過排查，7號糾偏裝置是整體安裝，沒有發現由制造原因導致明顯變形的因素；框架鋼結構制造方面的瑕疵也不足以產生明顯變形。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撓度是正常的。框架鋼結構在13.6噸的偏心重力作用下發生變形也是必然的。綜上可以得出，導致糾偏輥位移超標主要是7號糾偏裝置下撓變形和框架鋼結構的變形綜合導致。

3 變形解決方案

7號糾偏裝置和框架鋼結構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來模擬。計算機仿真技術選用的軟件是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]。以下為軟件具體應用步驟。

3.1 計算機模型建立

首先對各構件進行三維建模。建模的原則是：對框架鋼結構和7號糾偏裝置的主要受力構件和組成部分進行建模，對結構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構三維裝配模型

圖3中框架鋼結構長寬高為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上。7號糾偏裝置連接4塊鋼襯板的“田字形”鋼構件由250mmX250mm的方管焊接而成，寬高為4100mmX5200mm；固定糾偏輥的“田字形”鋼構件也是由250mmX250mm的方管焊接而成，寬高為3200mmX4800mm；兩塊“田字形”鋼構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”鋼構件的四根工字鋼上。

3.2 應力分析過程與結果

打開solidworks的仿真分析模塊，調入圖3所示的模型，將框架鋼結構的4根立柱底部固定，在重力的作用下，進行應力分析，輸出各部位位移分析結果，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。計算機仿真應力分析的結果與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構和7號糾偏裝置都發生一定程度的變形。和上文分析的結論是一致的。

3.3 確定最優變形控制措施

3.3.1 措施選擇

（1）第一種措施：增強框架鋼結構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計要求，二是需要經過設備供應方和使用方的同意。

3.3.2 第一種措施的應用

第一種措施在應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，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，數值為5.274mm，與原設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，數值為4.943mm，與原設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上繼續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，發生在下部糾偏輥的側部；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；而框架鋼結構的變形量控制在了0.1mm以內。圖10的總體結果說明7號糾偏裝置糾偏輥發生的高程偏差絕大部分來自于框架鋼結構的重力變形，并通過加強措施使整體結構變形取得了非常好的改善效果。

根據以上三種方式，可以總結出，承重框架鋼結構剛度增強需要在豎直和水平兩個方向上增加支撐措施，才能有效控制結構構件變形量。

3.3.3 第二種措施的應用

通過第一種措施的應用，7號糾偏裝置糾偏輥位移量大大減小，但還不足以滿足設計要求，需要通過措施二來進一步減小位移量，直到滿足設計要求。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”的變形量較小；方式二，調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進行模擬，比較適合大偏差調整。方式二只要松掉軸承固定螺栓，增加墊片即可，適合微調。根據糾偏輥的實際偏差，最后設備供貨方選擇方式二，即對糾偏輥軸承進行微調，使7號糾偏裝置的安裝關鍵部位的位移控制在0.5mm以內，滿足了設計要求。

4 結語

計算機仿真技術的應用對解決重型設備特殊位置安裝所遇到的復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、質量等方面獲得了提高。