水电站大悬臂门式启闭机门架有限元分析

杨子集

（华电郑州机械设计研究院有限公司，河南 郑州450003）

1 主要技术参数

QM2500/630/100kN双向门式启闭机门机设计总高约33.13 m，其中门架高23.13 m，门机跨度为15.5 m，悬臂端总长15 m，大车基距为11 m。主小车自重1 160 kN，主起升荷载2 500 kN，携带载荷1 200 kN；副小车自重460 kN，副起升荷载630 kN，携带载荷400 kN。

根据启闭机不同工况条件，通过三维有限元对整个门架结构进行分析。

1.1 模型单元的选择

门架首先建立三维有限元模型，如图1所示。采用线弹性有限元法，把门架离散为板单元三维弹性结构，所有的钢板构件采用板单元模拟。

图1 门架有限元模型

1.2 边界条件

在总体坐标系下建立三维有限元模型时，定义垂直大车轨道方向为X向，重力方向为Y向，大车运行方向为Z向。启闭机门架下横梁与大车行走机构连接座的支承铰接4个点受到重力方向（Y）的支撑约束，根据该门式启闭机结构型式为：根据门架上下游结构对称以及左侧悬臂的受力特点，取约束使门架结构成为单侧的一次超静定结构。

1.3 荷载和工况

计算荷载主要包括主副起升小车自重、门架自重、起吊荷载及风荷载。详述如下：①门架自重按照设计材料选用钢板密度7.8×10-6g/mm3；②起升机构起吊载荷后作为集中力分4处加在门架结构上部结构梁内筋板上，其中主起升自重840 kN，副起升自重630 kN；③垂直于大车轨道方向等效风荷载以集中力形式加载在主梁上，平行于大车轨道方向等效风载荷以集中力形式加载在主梁上；④大车制动力以集中力形式加载在门架结构上部结构梁内筋板上；⑤小车制动力以集中力形式加载在门架结构上部结构梁内筋板上。

按照启闭机的实际工作情况，综合考虑了各种荷载的不利组合，本次计算主要分析了以下6种工况条件下启闭机的应力分布和变形情况，如表1所示。

表1 6种工况条件下启闭机的应力分布和变形情况

表1（续）

1.4 结构尺寸与材料特性

启闭机根据实际使用工况，门架主梁、端梁、门腿、中横梁、下横梁选用箱型梁，结构的外形尺寸及构件的尺寸按图纸设计选取。门架主结构材料根据业主和规范要求选用Q345B钢。计算时，取弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，最大板厚20 mm，许用应力220 MPa。

2 结果分析

6种工况条件下门架的有限元分析结果如图2所示。在工况1的条件下，门架主梁所受应力值最大，最大折算应力值为114 MPa，竖向（Y向）挠度最大值为7.43 mm。在工况4的条件下，门架主梁所受应变值最大，最大折算应力值为108 MPa，主梁发生弯曲变形，悬臂端最大竖向（Y向）挠度最大值为36.7 mm。在工况6大车制动的条件下，水平方向最大变形为6.7 mm。根据有限元分析结果表明：在工况1时，门架主梁所承受的应力值最大为为114 MPa，小于许用应力220 MPa；在工况4时，门架悬臂梁竖向（Y向）应变值最大为36.7 mm，小于许用41.43 mm；在工况6时，门架不平方向变形最大为6.7 mm，小于许用34.695 mm。门架主要构件的大部分板件的折算应力计算值在114 MPa以下，均小于钢材许用应力220 MPa，挠度也小于许用值。

图2 6种工况条件下门架的有限元分析结果

3 结论

本次分析了启闭机门架在各种工况条件下主要构件的应力分布值和变形结果。根据设计规范，强度和刚度均能满足要求，但根据应力值的大小分布，下一步将通过对门架结构的进一步优化，达到启闭机的最优方案。