預(yù)裝式變電站預(yù)制艙吊具設(shè)計(jì)與有限元分析

摘

要：針對(duì)某背靠背槽鋼梁式吊具出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析，指出了其薄弱環(huán)節(jié)，并且指出設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮失穩(wěn)安全系數(shù)，在吊裝過程中鋼絲繩夾角應(yīng)控制在60°范圍內(nèi)，然后通過有限元方法對(duì)其進(jìn)行了加載驗(yàn)證；同時(shí)對(duì)該吊具采用方管鋼進(jìn)行了改進(jìn)，提升了抗失穩(wěn)能力。關(guān)鍵詞：預(yù)裝式變電站；預(yù)制艙；吊具；穩(wěn)定性；有限元分析0

引言箱式變電站，又叫預(yù)裝式變電所或預(yù)裝式變電站，是一種高壓開關(guān)設(shè)備、配電變壓器和低壓配電裝置按一定接線方案排成一體的工廠預(yù)制戶內(nèi)、戶外緊湊式配電設(shè)備，即將變壓器降壓、低壓配電等功能有機(jī)地組合在一起的可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)箱。我國于20世紀(jì)70年代后期，從法國、德國等國引進(jìn)和仿制了箱式變電站，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）占地面積小，適合在一般城市負(fù)荷密集地區(qū)、農(nóng)村地區(qū)、住宅小區(qū)等安裝，有利于高壓延伸，減小低壓線路的供電半徑，降低線損；（2）減少土建基礎(chǔ)費(fèi)用，可以工廠化生產(chǎn)，縮短現(xiàn)場(chǎng)施工周期，投資較少，收效明顯；（3）體積小，重量輕，安裝移動(dòng)方便等。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展，對(duì)預(yù)裝式變電站預(yù)制艙的需求越來越旺盛，預(yù)裝式變電站預(yù)制艙的體積和重量也越來越大。目前，國內(nèi)已有很多家設(shè)計(jì)、生產(chǎn)預(yù)裝式變電站預(yù)制艙的企業(yè)，產(chǎn)品重量從10t到40t不等，甚至較重的重量已超過80t。吊具是連接吊鉤與被吊物的關(guān)鍵部件，在被吊物跨距較大時(shí)，若不采用吊具而直接用鋼絲繩與被吊物連接，鋼絲繩產(chǎn)生的水平力是巨大的，將直接導(dǎo)致被吊物由于剛性不夠而產(chǎn)生損傷[1]，因此，一般需要設(shè)計(jì)專用吊具進(jìn)行預(yù)裝式變電站預(yù)制艙的吊裝。在工程實(shí)踐當(dāng)中，吊具設(shè)計(jì)不合理造成的安全事故時(shí)有發(fā)生，通常會(huì)發(fā)生變形較大問題、強(qiáng)度破壞問題，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)生失穩(wěn)問題。為杜絕安全事故的發(fā)生、避免經(jīng)濟(jì)損失，必須對(duì)預(yù)裝式變電站預(yù)制艙吊具進(jìn)行力學(xué)設(shè)計(jì)與分析。本文針對(duì)某背靠背槽鋼梁式吊具出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析，指出了其薄弱環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)、吊裝過程中存在的問題，最后通過有限元方法對(duì)其進(jìn)行了加載驗(yàn)證。1

預(yù)裝式變電站預(yù)制艙吊具介紹預(yù)裝式變電站預(yù)制艙的起吊現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1、圖2所示，圖1為車間室內(nèi)行車吊裝，圖2為室外吊車吊裝。起重吊鉤鉤住吊具上兩根具有一定夾角的鋼絲繩，鋼絲繩通過卸扣連接在吊具兩端。吊具橫梁下面四根鋼絲繩，上面用卸扣與橫梁下孔連接，四根鋼絲繩下端分別套在箱體專用吊桿上。某吊具結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用兩根20號(hào)槽鋼背靠背組成，中間以厚度為25mm的鋼板間隔焊接而成。吊具長(zhǎng)度4400mm，吊裝重量40t，截面慣性矩為Ix=9028954.74mm4，Iy=35393074.35mm4，吊鉤處鋼絲繩夾角為120°，吊裝過程中發(fā)生了吊具失穩(wěn)問題，如圖4所示?！簟?

吊具受力分析◆◆針對(duì)上述吊具問題進(jìn)行受力分析，上、下鋼絲繩與吊具的連接均為卸扣連接，屬于鉸鏈連接，因此鋼絲繩在鉸接處只能傳遞拉力，不能傳遞彎矩。對(duì)于吊具來說，只受軸向力壓力作用（由于吊耳不在軸線上，實(shí)際上還存在一個(gè)小量的彎矩，在斜向上鋼絲繩的拉力作用向軸線的延長(zhǎng)與軸線的交點(diǎn)，該交點(diǎn)與下鋼絲繩不交于一點(diǎn)，這里先忽略該彎矩），受力情況如圖5所示。采用隔離體法進(jìn)行分析[2]：對(duì)于A點(diǎn)：對(duì)于C點(diǎn)：由式（2）可知，吊具受到的軸向壓力是上部鋼絲繩夾角一半的正切函數(shù)，由正切函數(shù)性質(zhì)可知，隨著夾角α逐漸增大，一開始軸向壓力增加較慢，但當(dāng)超過30°，軸向壓力將急劇增加，即鋼絲繩夾角2α超過60°以后，軸力將迅速增加，如圖6所示。對(duì)于該吊具，吊裝重量40t，當(dāng)鋼絲繩夾角為60°時(shí)，α=30°，吊具軸向壓力NBC=113160.7N；當(dāng)鋼絲繩夾角為120°時(shí)，α=60°，吊具軸向壓力NBC=339481.9N。鋼絲繩夾角為120°時(shí)的軸向壓力是60°時(shí)的3倍。以下對(duì)該吊具進(jìn)行穩(wěn)定性校核[3]：吊具長(zhǎng)度l=4400mm，吊裝重量40t，截面慣性矩為Ix=9028954.74mm4（槽鋼開口方向），Iy=35393074.35mm4，截面積A=5727.9mm2，材料為Q235，E=200GPa，a=304MPa，b=1.12MPa，δp=200MPa，δs=235MPa，可以由下式計(jì)算桿的柔度λ、λ0

和λp：得：λx=110.8，λy=56.0，λp=99.3，λ0=61.6。可知在x向，即沿槽鋼開口方向，該吊具屬于大柔度桿，可能會(huì)發(fā)生穩(wěn)定性問題。進(jìn)一步采用下式計(jì)算失穩(wěn)臨界載荷：沿x向：Pcr=920580N；沿y向，屬于短粗桿，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。根據(jù)GB/T

26079—2010《梁式吊具》7.4節(jié)要求[4]，受軸向壓力的梁體其穩(wěn)定安全系數(shù)為5.0，要求設(shè)計(jì)的吊具的失穩(wěn)臨界載荷應(yīng)大于5倍的軸向力。由前面計(jì)算的軸向力知：當(dāng)鋼絲繩夾角為60°時(shí)，α=30°，吊具軸向壓力的5倍為565803N＜Pcr，不會(huì)失穩(wěn)。當(dāng)鋼絲繩夾角為120°時(shí)，α=60°，吊具軸向壓力5倍為1697409.5N＞Pcr，可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)。此時(shí)雖然軸力本身NBC=339481.9N不超過失穩(wěn)臨界載荷Pcr，但根據(jù)規(guī)范要求需要5倍的安全系數(shù)，以防范實(shí)際吊裝過程中可能發(fā)生的小量的受力歪斜、吊繩不對(duì)稱等問題。從這個(gè)實(shí)際案例可見，對(duì)于穩(wěn)定性問題，足夠的安全系數(shù)很重要，同時(shí)吊裝鋼絲繩夾角應(yīng)控制在60°以內(nèi)。3

有限元驗(yàn)證

根據(jù)壓桿穩(wěn)定性理論，兩端鉸支長(zhǎng)度為L(zhǎng)的桿的臨界失穩(wěn)載荷與一端固支、一端鉸支、長(zhǎng)度為L(zhǎng)/2的桿的臨界失穩(wěn)載荷等效。對(duì)于該吊具建立有限元模型，建立一半模型進(jìn)行分析，采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共8769個(gè)單元，一端固定約束，一端自由加載荷，有限元模型如圖7、圖8所示，兩個(gè)方向的臨界失穩(wěn)載荷如圖9、圖10所示。有限元計(jì)算所得的x向臨界失穩(wěn)載荷P=832850N，小于理論計(jì)算值920580N，這主要是由于兩個(gè)槽鋼背靠背間隔焊接，理論計(jì)算時(shí)忽略了這點(diǎn)引起的。4

吊具的改進(jìn)由第3節(jié)分析可知，槽鋼背靠背焊接而成的吊具，橫截面的兩個(gè)方向上的失穩(wěn)臨界載荷存在很大差距。在槽鋼開口方向（x向）更易發(fā)生失穩(wěn)，主要原因是開口方向的慣性矩較小，因此可以采用兩個(gè)方向慣性矩相當(dāng)或相等的截面形式提高臨界失穩(wěn)載荷?？梢钥紤]采用方管鋼型材對(duì)上述吊具進(jìn)行改進(jìn)。如圖11所示，選用200mm×200mm×7mm的Q235方管鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別計(jì)算桿的柔度λ、λ0和λp：λ=λx=λy=53.6，λp=99.3，λ0=61.6，λ＜λ0，屬于短粗桿，設(shè)計(jì)上不會(huì)失穩(wěn)，并采用有限元對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，如圖12、圖13所示，最大應(yīng)力133.61MPa，滿足強(qiáng)度要求。5

結(jié)語本文針對(duì)某預(yù)裝式變電站預(yù)制艙背靠背槽鋼梁式吊具出現(xiàn)的穩(wěn)定性問