大型柴油发电机组专用吊具设计

2020-04-30 06:40
船海工程 2020年1期
关键词:吊具发电机组吊装

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所,上海 200090)

目前,由于柴油发电机组都经过整机台架试验后出厂,普遍采用整装法吊运安装。为了保证柴机油组的安全快速吊运,机组吊装均需使用特制吊具。特制吊具应根据柴油发电机组的几何尺寸、重量、重心位置等特性进行设计,能够合理分配各吊点的受力,保证柴油发电机组的平稳起吊,不使柴油发电机组发生过大变形,保证柴油发电机组的装配精度。考虑到柴油发电机组可能会经历有多次试验和维修,需要反复使用吊具进行吊运。吊具设计的合理与否,以及吊具的力学性能和安全性,直接影响机组吊装的成败。大型柴油发电机组造价昂贵,一旦吊具设计失败,将会造成机组破坏性的损伤甚至人员伤亡,经济损失和影响不可估量。

1 吊具设计及吊装方法

1.1 设计需求

柴油发电机组长10.5 m,宽3 m,高4.2 m。重约920 kN,机组运输底座重量约为5 t,吊运时连同运输底座一同起吊。由于机组重量大、跨度长,起吊时容易发生中部下沉现象,造成高弹性联轴器等连接构件变形损坏,故在机组公共底座中部布置辅吊点。机组及其吊点位置见图1。

图1 机组及吊点位置示意

吊具设计应能实现柴油发电机组的平稳起吊,用简便易行的方法实现吊装过程中的重心调整;考虑余量,吊具的设计载荷为1 000 kN;吊装过程中需避免吊索具对机组及其附件造成干涉、挤压;吊具属于吊装设备,按照《起重机设计规范》校核结构强度。

1.2 结构设计

吊具的吊梁整体为田字形框架结构,框架4角设有大肘板保证稳定性。框架总长为5.5 m、宽为3 m、高约1.1 m。梁体截面为H型钢。吊梁上部设4个吊装孔,通过卸扣、吊带与行车吊钩相连。吊梁下部主吊点吊装孔设计成沿长度方向对称设置一排多个吊装孔,当柴油发电机组实际重心与理论重心存在差异时,可以通过选择不同的吊装孔进行调整。2个辅助吊点配有手拉葫芦和测力计,可以调节控制辅助吊点承载。见图2。

图2 吊具结构及原理示意

H型钢翼板等宽等厚,侧向刚度大,上下翼板相互平行,相比其他型材加工安装方便,而且抗弯能力强,是吊梁的理想截面形式。

框架式吊梁形式构造简单、易于制作,框架的宽度与柴油机宽度一致,可以避免索具与柴油机及配件发生干涉、挤压。

由于柴油发电机组长度达10 m,如果仅采用4点起吊方式,跨度过大,会造成机组中部下沉的情况,导致机组高弹性联轴器等连接结构变形过大影响机组整体性能。因此,在吊具中部增加2个辅助吊点,宽度方向对称布置,这样可以有效减轻机组中部下沉的程度,保证机组安装质量。

柴油发电机组在设计、试验、安装使用、检修等情况下,机组重心位置不可避免的发生变化,将吊梁下部主吊点系挂孔设计为一排多孔形式,以间距150 mm等距分布,可以调整4个主吊点系挂孔的位置,保证柴油发电机组平稳起吊。

1.3 吊装方法

柴油发电机组正式吊运前,需进行试吊,通过多次试吊,调整4个主吊点吊装孔的位置,保证吊钩与柴油发电机组重心在同一竖直线上。各吊装孔位置确定好后,缓慢起吊,主吊点吊带张紧后实时观察起重机上显示的载荷,达到800 kN前,辅助吊点索具上远程遥感测力计的示值始终保持在100 kN,少增多减,操作辅助吊点的手拉葫芦随时调节(见图2b)),直至机组整体脱离地面。缓慢提升机组距离地面200 mm,确认所有索具连接牢固后,缓慢进行起吊转运。

1.4 强度校核

运用CAE技术进行结构强度分析,快速计算,找到吊具设计的薄弱环节。相比传统经验计算方法,更加准确,能够考虑不同吊具的更多设计细节。

1.4.1 有限元模型

应用ANSYS进行有限元计算,几何清理和网格划分在Hypermesh中完成。在Inventor中建立几何模型。采用Shell181单元进行模拟,能够更好地反映结构弯曲情况。吊耳中心点选用Mass21质量点单元,并建立多点约束区域。整体网格尺寸约为50 mm,吊耳处网格适当细化。有限元模型见图3。

图3 吊具有限元模型

1.4.2 材料属性

吊梁主体材料为Q235,屈服极限235 MPa,弹性模量E=206 GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7.85×10-6kg/mm3。

1.4.3 载荷工况

吊具设计载荷为1 000 kN,计算载荷取为设计载荷的1.25倍,即1 250 kN。由于柴油发电机组吊装作业过程起重设备运行缓慢,动载荷很小,并且不会在大风雨雪天气进行作业,因此,不考虑动载荷系数和环境载荷系数。

1.4.4 静力分析结果

由计算结果云图(见图4)可知,吊具最大von-Mises应力为136.95 MPa。出现在上吊耳与吊梁焊接处。根据《起重机设计规范》要求,安全系数为1.48,许用应力为158.784 MPa。表明吊具结构强度满足设计要求。

图4 吊具von-Mises应力云图

吊具刚度应满足静挠度要求,吊具有效悬臂长度为3 200 mm,许用静挠度为[f1]=(1/350)×3 200=9.14 mm。吊具最大位移为0.77 mm,且出现在吊耳与肘板相连处,可见吊具的刚度位移满足要求,见图5。

图5 吊具位移云图

2 试验验证

加载试验是对吊具承载能力最直接的验证,试验中还可以发现一些预料不到的操作问题。加载试验分为静载试验和动载试验。考虑到柴油发电机组吊装时吊车速度慢、精度高,吊装过程中动载荷很小;另外试验吊车与吊装车间使用的吊车不同,动载试验本身无法模拟实际使用情况;而且根据以往经验,静载试验载荷已经较为保守,能够充分验证吊具承载能力,因此,免去动载试验。

静载试验载荷为1 250 kN,为吊具设计载荷的1.25倍。试验用的起重设备为大型汽车吊,最大额定起重量为5 000 kN。试验砝码为铸铁砝码,单块重量分为50及100 kN。共取1 200 kN配重砝码均匀置于配重框架上,保证载荷重心与吊钩在同一竖直线上。配重框架重为50 kN。

试验准备就绪后,缓慢操作吊车提升负载,负载离开地面100~200 mm高度,保持10 min。

卸载后观察吊具外观,未发现裂纹、油漆脱落等对吊具性能和安全有影响的损坏,各焊缝完好。吊带没有崩开撕裂,吊耳耳孔没有变形。重新测量吊具尺寸,与试验前吊具尺寸对比,未发生变化。

3 结论

大型柴油发电机组专用吊具针对特定的柴油发电机组而设计,使用范围有限,批量小。在满足使用要求的前提下,应考虑经济性、生产周期、运输存放等问题。目前,该吊具已经多次顺利完成柴油发电机组的吊装任务,效果良好。设计合理、适用、操作简便的专用吊具,不仅满足吊装作业需求,提高了吊装效率,而且对保障机组的质量、安全,以及施工人员的人身安全都具有重要意义。

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