基于ANSYS的液压提升架结构有限元分析

蒋磊

(中国能源建设集团江苏省电力建设第一工程公司，南京 210001)

0 引言

燃气轮机是火力发电厂三大特种件之一，其安装直接关系到火力发电厂建设的成败。安装燃气轮机必须满足安全、经济、工期短和方便施工的要求，吊装装置的结构必须满足强度、刚度和稳定性的要求，否则会发生机毁人亡的重大事故[1]。随着起重机械设备的发展，吊装所使用的吊具及吊装方法也趋于多元化、复杂化。利用液压提升装置吊装燃气轮机的方法安全可靠，应用范围广，条件适应性强，是近几年兴起的新型燃气轮机吊装技术[2]。

为满足某2×400 MW机组燃气轮机吊装的需要，中国能源建设集团江苏省电力建设第一工程公司设计了额定起重量为5 000 kN的液压提升架，并委托郑州科润机电工程有限公司对该液压提升架的金属结构进行强度、刚度和稳定性[3]核算。

1 吊装方案

1.1 吊装前的准备工作

燃气轮机吊装前，应做好以下工作：主厂房顶、墙、窗全部完工，具有良好的防风条件；发电机台板找平、找正工作完毕，并正式就位；发电机台板摆放稳固[4]；抬吊燃气轮机专用的液压提升架经有关部门验收合格；提升架行车轨道上无杂物，保证行车路线专用；检查线路及配电房线路，确保吊装作业工作中不出现停电、断电等情况；吊装施工人员须持证上岗。

1.2 吊装实施工作

将4台GYT-200C型液压提升装置装在提升架的扁担梁上，液压提升装置的下锚头用卡块固定在扁担梁上面中间的预留孔位置，安装时确保液压提升装置垂直并保持与刚梁预留孔同心。千斤顶与底座间用螺栓固定，千斤顶上不用导向架固定，安置导向装置[5]。根据编号在液压泵与千斤顶之间连接油管，油管连接要相对应，连接完毕后由负责人员检查核对，如有错误应及时纠正。

液压提升架通过液压油缸驱动，提升架运行到燃气轮机的起吊位置，4台液压提升装置进行抬吊，抬吊过程要有专职人员进行观测，确保4个吊点的抬吊一致，并且起吊载荷相对其重心位置的中心线偏摆角度不超过4°。当燃气轮机提升到适当高度时，停止抬吊，通过驱动液压油缸推动提升架前进，到达燃气轮机安装位置时，停止运行，放下燃气轮机并确保其在安装位置就位。

2 液压提升架金属结构分析

2.1 液压提升架结构的组成

液压提升架金属结构主要由千斤顶搁置框架、活动顶梁、固定顶梁、承载柱、承载底梁、大跑平衡梁和车架梁组成。液压提升装置放置在千斤顶搁置框架上，扁担梁放置在活动顶梁上，活动顶梁放置在固定顶梁上。扁担梁与活动顶梁的位置可以根据燃气轮机起吊位置的不同来挪动。固定顶梁、承载柱、承载底梁、大跑平衡梁和车架梁组成门架结构整体，各部件通过螺栓连接，方便运输及拆卸。液压提升架结构如图1所示。

2.2 计算依据及载荷施加

根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》[6]，取载荷组合类别Ⅱ。在正常工作状况下，考虑基本载荷与附加载荷同时作用的情况，用于结构的强度、刚度和稳定性计算；刚度计算不考虑动力效应系数。因此，结构自重系数取1.1，动载荷系数取1.1。采用许用应力法核算液压提升架结构的强度。

基本载荷分为结构自重载荷和燃气轮机自重载荷。附加载荷主要为风载荷，由于起吊在近乎无风状态下进行，因此不考虑风载荷的影响。

液压提升架结构采用Q345B材料，其安全系数和许用应力见表1。

表1 Q345B材料的安全系数和许用应力

2.3 液压提升架结构分析

液压提升架结构主要由3部分组成，分别是千斤顶搁置框架、活动顶梁和门架结构。千斤顶搁置框架按一次超静定结构计算，活动顶梁按简支梁结构计算，门架结构分为门架平面和支腿平面2个平面来计算，均按一次超静定结构计算。提升架结构采用有限元分析软件ANSYS进行计算。

3 液压提升架结构的有限元分析

3.1 液压提升架结构的有限元模型

千斤顶搁置框架的位置随吊点的位置移动，车架梁与门架结构的承载底梁通过螺栓连接，考虑到提升架结构的受力状况以及建模的方便性，把需要建立的提升架结构有限元模型分为4部分，如图2所示。千斤顶搁置框架、活动顶梁与门架结构采用BEAM188单元划分网格；车架梁实体建模，采用SOLID45单元划分网格。4部分结构的有限元计算彼此独立，根据结构的实际承载情况分别施加不同大小及作用点的载荷。

图2 提升架结构有限元模型

3.2 有限元结果分析

图3～图6为各部分结构复合应力云图，从图中可以看出，千斤顶搁置框架的最大复合应力为94 MPa，活动顶梁结构的最大复合应力为147 MPa，小于表1中的材料复合应力，不需要对结构进行加强。门架结构的最大复合应力为209 MPa，发生在承载柱上部结构处，主要是因为承载柱要承受2个平面的载荷，为压弯构件，需要考虑其整体稳定性，因此需要增大承载柱的截面，增大后的承载柱截面满足受力要求。车架梁由于腹板需要折弯处理，导致弯板处应力集中较大，由有限元计算的最大复合应力为62 MPa，小于表1中的材料复合应力，不需要对结构进行加强。各部分结构的刚度和局部稳定性计算参照GB/T 3811—2008《起重机设计规范》，经过计算全部合格，满足结构的受力要求。

图3 千斤顶搁置框架结构的复合应力云图

图4 活动顶梁架结构的复合应力云图

图5 门架结构的复合应力云图

图6 车架梁结构的复合应力云图

4 结论

(1)由液压提升架结构的有限元结果分析可知，结构的最大复合应力发生在承载柱处。由于承载柱承受2个平面的载荷，因此应对承载柱的截面进行加强。

(2)基于ANSYS的液压提升架结构有限元分析，为液压提升架结构分析提供了可靠的计算依据，对液压提升架结构的设计提供了一种新的有限元分析方法。鉴于有限元分析软件ANSYS的可操作性和功能的多样性，可以参照此方法对其他形式的提升架结构进行有限元分析。

(3)火力发电厂燃气轮机的安装是关键工序，其吊装方案要严谨、科学、合理，既要保证吊装的安全性，又要考虑实用性、吊装方便性等。通过液压提升架吊装燃气轮机，不需要其他辅助设施，具有工期短、吊装方便等优点。通过基于ANSYS软件的有限元分析，对结构进行了强度、刚度和稳定性验证，对结构设计的不合理处进行了改进，确保了液压提升架结构的安全性。吊装实践证明，该方案简便易行、安全、可靠。

参考文献：

[1]庄秀忠.大型火力发电厂发电机定子吊装方法研究[J].广州大学学报，2002，1(2)：82-87.

[2]周家让.火力发电厂发电机定子吊装方法探讨[J].中国高新技术企业，2010(28)：70-72.

[3]徐格宁.机械装备金属结构设计[M].2版.北京：机械工业出版社，2009.

[4]陈海志.达州电厂2×300 MW机组工程#2机发电机定子吊装方案[J].广东科技，2010，10(19)：71-73.

[5]赵庆强.分力法与液压提升装置倒装合用的方法吊装发电机定子[J].中国新技术产品，2012(17)：10-14.

[6]GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].