三代核环行起重机结构刚度对精确定位的影响

祁 鹏1 曹旭阳1 吕宇飞1 屈云岚1 徐宏伟21 大连理工大学机械工程学院 大连 116021 2 大连华锐重工集团有限公司 大连 116013摘 要：核环行起重机因其应用场合的特殊性，对吊载的定位精度有严格的要求。三代核环行起重机通过新型水平导向装置、无轮缘的桥架结构支撑于环形轨道上，在一定工况下，桥架变形必然引起定位误差。通过建立核环行起重机金属结构的力学模型，基于Ansys 对其桥架结构进行了不同组合情况下的有限元分析。结果表明：在额定吊载条件下，桥架变形对精确定位影响的程度较小；在相同条件下，水平导向装置主要提供回转支撑作用，对定位精度几乎不产生影响；该环行起重机采用的新型结构设计，能满足水平定位误差±5 mm 的精度要求。关键词：核环行起重机；水平导向装置；结构刚度；精确定位中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）09-0107-040 引言核电站环行起重机（以下简称核环吊）是一种沿环形轨道行驶的特殊桥式起重机，用于吊运反应堆厂房内的重型设备，由于其应用场合的特殊性，必须严格控制核环吊的定位精度。核环吊主梁因其结构刚度的原因，在不同工况下会产生不同的变形，如果变形量过大，必将会对定位精度产生较大影响。本文三代核环吊采用全新设计的水平导向装置，以核环吊主梁结构为研究对象，基于有限元技术和ADAMS 仿真技术，应用国内外的侧向力载荷计算方法，总结出金属结构刚度对精确定位的影响方式及大小。1 不同标准中的侧向载荷计算方法桥式起重机的大车运行机构通常采用双轮缘垂直车轮，轮缘的作用是导向和承受偏斜运动时的水平侧向力。由于各种原因，尤其是像核环吊这类跨度较大的起重机容易出现偏斜运行，使车轮和轨道之间产生严重的磨损，即啃轨现象。采用水平导向装置既可解决啃轨问题，还能减小起重机的运行阻力。三代核环吊的大车运行系统采用图1 所示新型支撑导向装置且无轮缘设置。1.1 水平导向装置的结构形式由于水平侧向力以力偶的形式出现，故水平导向轮应成对设置。文中所述新型水平导向装置以大车回转中心为圆心，倾斜固定的角度成对设置，在独立的环形轨道上运行。在初始条件下，水平导向装置与轨道有一定距离的间隙；运动过程中，水平导向装置与轨道接触，水平轮阻尼器受压，水平导向装置将为桥架提供回转支承作用。1. 大车轮（无轮缘） 2. 大车运行导轨 3. 小车运行轨道 4. 水平导向轮图1 水平导向装置示意图1.2 侧向力与弹簧力关系在理想条件下，当核环吊发生偏斜时，偏斜一侧的两组水平导向装置产生的弹簧力应大小相等，侧向力合力指向水平方向；通过对核环吊的动态仿真分析证实，实际工况下的核环吊发生偏斜运动时，桥架也发生一定量变形，导致两组水平导向装置产生的弹簧力大小不相等，合力方向相对水平方向产生小角度的偏移。1.3 计算与仿真1）对带轮缘垂直车轮的起重机，根据国家标准GB／T 3811—2008 《起重机设计规范》，起重机偏斜运动时，水平侧向力近似计算可表示为式中：λ 为水平侧向力系数，ΣP 为起重机承受侧向载荷一侧的端梁上与有效轴距有关的相应车轮根出现的最大轮压之和。2）对带水平导向装置的起重机，依据欧洲国家DSEN 13001—2:2011《起重机设计规范》，当起重机以偏斜角α 进行歪斜运动时，起重机导行元件将会产生一个与运行机构和承载机构系统有关的机构的联系力，即偏斜侧向力F s，可表示为式中：v 为与滑动极点位置、车轮的数量及车轮与水平导向轮距离相关系数，f 为轨道与车轮之间的粘着系数，m g 为负载起重机总质量。3）借助动力学仿真软件ADAMS 对桥架结构进行仿真分析，仿真得到水平导向装置产生的弹簧力合力数据与理论计算对比如表1 所示。通过对核环吊动态仿真分析，当核环吊发生偏斜运动时，桥架发生一定量的变形，导致两组水平导向装置产生的弹簧力大小不相等，其合力大小与欧洲起重机设计标准计算大小接近，与GB/T3811—2008 理论方法计算大小相差21.4% 左右，由于GB/T 3811—2008 侧向力计算与其他规范中的数值相比较大，且文中大车轮设置无轮缘结构，故仿真得到的数据基本符合实际的工况。2 模型建立文中所述模型取自第三代核电环行起重机的主梁模型，其最大起重量为272 t，跨度为35 m，轨距8.5 m，小车自重（包含吊索具）为151 t，主梁和小车材料为Q345，主梁截面尺寸如图2 所示。图2 主梁截面作用在核环吊主梁结构上的外载荷可分为固定载荷和移动载荷，其中固定载荷包括由主梁、轨道、走台和栏杆产生的均布载荷；移动载荷由小车自重、起升机构及起吊重物引起的以轮压形式作用在主梁结构上的载荷，小车轮压大小如图3 所示，轮压以集中载荷形式施加。图3 小车轮压大小按满载小车在左极限（右极限）、跨中两种工况进行分析，考虑侧向力载荷P s、起升冲击系数 1 以及起升动载系数 2，桥架有限元模型如图4 所示。按如下4 种载荷组合工况对核环吊主梁结构进行加载。工况1：小车位于跨中位置起升额定载荷；工况2：小车位于左（右）极限位置起升额定载荷；工况3：小车位于跨中位置起升额定载荷（水平侧向载荷）；工况4 ：小车位于左（右）极限位置起升额定载荷（水平侧向载荷）。图4 桥架有限元模型3 计算结果分析利用Ansys 对主梁结构的4 种载荷组合工况计算结果进行分析比较。即当小车位于桥架左（右）极限时，桥架各方向的变形量，应力值、最大应力区域；小车位于跨中位置，桥架桥架各方向的变形量，应力值、最大应力区域。限于篇幅，这里只列出第4 工况下，核环吊主梁结构位移和应力的显示结果如图5 ～图8 所示。图5 桥架结构应力云图6 桥架结构位移云图图7 桥架X 方向（沿小车运行方向）位移云图图 8 桥架Z 方向（平行端梁方向）位移云图载荷组合工况2 和4 主要考虑的是当额定吊载的小车位移左（右）极限位置时，主梁X 方向（小车运动方向）、Z 方向（平行端梁方向）的变形量。以上4 种载荷组合工况是核环吊在工作过程中桥架结构所受到的最恶劣的承载情况，应对其强度和刚度进行分析。3.1 强度结果分析在4 种工况条件下，桥架截面的最大应力值为184.25 MPa，许用应力227.7 MPa，主梁强度满足要求。3.2 刚度分析由表2 所示载荷组合工况1 的分析结果，竖直方向最大位移为16.23 mm，核环吊主梁垂直挠度许用值47mm，静刚度满足要求。X 方向（沿小车运行方向）最大变形量3.00 mm，Z 方向（平行端梁方向）最大变形量为2.20 mm，说明桥架结构发生一定量的扭曲变形。经载荷组合工况3 与载荷组合工况1 比较后发现，沿水平导向装置上的弹簧力，对于桥架整体变形影响较小。4 结论1）应用4 种方法的计算结果表明，核电环行起重机的主梁结构的强度寿命满足设计要求。2）DS EN 13001—2:2011 标准理论计算的侧向力大小，更加贴近实际仿真结果，GB/T 3811—2008 侧向力计算与其他规范中的数值相比较大。3）在额定吊载情况下，桥架变形对精确定位影响较小；桥架的变形会导致水平导向轮与水平轨道间的间隙变大，能够满足水平方向误差的精度要求。4）相同条件下，水平导向装置主要为桥架提供回转支撑作用，沿水平导向杆方向上的弹簧力对桥架结构精确定位影响较小。参考文献[1] 丁晶. 环行起重机水平导向装置设计研究[D]. 大连：大连理工大学，2016.[2] 余容. 核用桥式起重机精度控制研究[D]. 成都：西南交通大学，2017.[3] 王德芳. 桥式起重机中的水平导向轮装置[J]. 起重运输机械，2004(5)：23，24.[4] GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].[5] 徐宏伟. 起重机偏斜运动时水平侧向力的探讨[J]. 重工与起重技术，2007（1）：20-23.举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真三一SCC1000A-6，一台可带履带架整体运输的100t履带式起重机！大型化、多样化、智能化——钢桥专用设备的发展趋势农业农村部办公厅关于推介第四批全国农村创业创新优秀带头人典型案例的通知“禁塑令”正式实施半个多月，徐汇菜场情况如何？

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