有限元分析技术在大型固定全回转起重机升级改造中的运用

张荣军 王俊君

（上海电力机械有限公司，上海 200245）

某核电站扩建工程中，最重设备为发电机定子，约462t。经过对不同运输方案的比较，以及对原400t固定式全回转起重机的整体评估，方案在设定起重机垂直轴力增加150t，调整倾覆力矩不变的原则下，考虑尽可能利用原机部件，将400t固定式全回转起重机主钩额定起重量提升到530t，满足扩建工程所有大件设备的吊装运输要求。

升级改造主要采用校核计算的方法，即将升级改造后的额定起重量530t施加到起重机上，在最危险的工况下，对原起重机的主要结构件、运行机构和零部件等进行校核计算，根据计算的结果，对满足要求的部件保持不变，无法满足要求的部件进行重新设计、制造。本文采用有限元分析的方法，对改造前后的筒体进行校核计算，来确定满足工程新需求的设计方案。升级改造后设备总图如图1所示。

图1 升级改造后设备总图

1 改造前筒体分析计算

1.1 计算工况

工况1：21.5m幅度，工作工况；工况2：10m幅度，非工作工况；工况3：21.5m幅度，静载试验工况；工况4：21.5m幅度，动载试验工况。

1.2 载荷

1.2.1 均布载荷计算

（1）工作工况起升动载系数：φ2=1.056；试验工况起升动载系数：φ6=1.028。

（2）圆筒自重载荷：ANsYs软件中圆筒自重以均布载荷即重力加速度的形式加载：az=10.81。

（3）风载荷：风载荷在程序中给出相应的加速度值，由程序自动计算，作用在结构上，如表1所示。

表1 风载荷对应的加速度

1.2.2 各工况载荷

各工况载荷如表2所示。

表2 各工况载荷数值

1.2.3 各工况加载力的换算

各工况加载力的换算如图2所示。

图2 倾覆力矩换算计算简图

表3 各工况载荷换算

水平载荷作用在圆筒门架中枢轴孔处，按节点载荷处理作用在模型上。倾覆力矩按照轨道支撑和反滚轮的位置，处理为垂直载荷，前轨道支撑处载荷等效到内外圈处理成为线载荷，如表3所示。

1.3 改造前筒体的计算结果

（1）首先选择在工作工况下对起重机进行分析计算，如果验算通过，则选择其他工况再进行分析计算，否则说明该起重机原筒体无法满足起重机升级改造后的使用要求，如图3所示。

图3 整体等效应力云图（工作工况）

（2）结果分析及结论。结构等效应力最大为330MPa，圆筒的制造材质为Q235-B，其屈服极限是235MPa，产生的部位是圆筒下轨道支撑的三角筋板与法兰连接处，取设计规定的安全系数1.34，许用应力值为176MPa，最大应力数值已经超过了该数值，表明圆筒结构强度不能满足使用要求。

2 筒体改造方案

针对筒体，其加强方法如图4所示。

3 筒体改造后的分析计算

3.1 载荷

筒体每12°轮压中，在各工况下，最大受压载荷为275.6t，最大受拉载荷为174.3t。为简化计算，整个筒体轨道整体受压8268t，受拉5229t。

3.2 改造后筒体的计算结果

3.2.1 受压工况

（1）强度验算。忽略应力集中造成的局部高应力，筒体主结构的最大应力如图5所示，为144MPa，小于该工况许用应力，验算通过。

图4 筒体改造方法

（2）稳定性验算。一阶失稳模态如图6所示，载荷放大系数为4.9887，大于该工况安全系数，验算通过。

图5 受压工况模型筒体主结构应力云图

图6 受压工况模型一阶失稳模态

3.2.2 受拉工况

（1）强度验算。忽略应力集中造成的局部高应力，筒体主结构的最大应力如图7所示，为91.2MPa，小于该工况许用应力，验算通过。受拉情况无需进行稳定性验算。

由以上的计算结果得出，改造后的圆筒满足计算要求。

4 结论

对原有起重机进行升级改造，提高其额定起重量，尽可能地利用原起重机的部件进行重新修改设计，满足工程建设新的需求，可以大大节省起重机的制造、安装成本，经济效益和社会效益显而易见。本文通过总体方案的优化设计和利用有限元分析的技术手段，对筒体的改造进行分析计算，确定优化设计方案，为起重机升级改造方案的具体实施提供了强有力的技术理论支持。

图7 受拉工况模型筒体主结构应力云图