水電站大懸臂門式啟閉機門架有限元分析

楊子集

（華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南 鄭州450003）

1 主要技術參數

QM2500/630/100kN雙向門式啟閉機門機設計總高約33.13 m，其中門架高23.13 m，門機跨度為15.5 m，懸臂端總長15 m，大車基距為11 m。主小車自重1 160 kN，主起升荷載2 500 kN，攜帶載荷1 200 kN；副小車自重460 kN，副起升荷載630 kN，攜帶載荷400 kN。

根據啟閉機不同工況條件，通過三維有限元對整個門架結構進行分析。

1.1 模型單元的選擇

門架首先建立三維有限元模型，如圖1所示。采用線彈性有限元法，把門架離散為板單元三維彈性結構，所有的鋼板構件采用板單元模擬。

圖1 門架有限元模型

1.2 邊界條件

在總體坐標系下建立三維有限元模型時，定義垂直大車軌道方向為X向，重力方向為Y向，大車運行方向為Z向。啟閉機門架下橫梁與大車行走機構連接座的支承鉸接4個點受到重力方向（Y）的支撐約束，根據該門式啟閉機結構型式為：根據門架上下游結構對稱以及左側懸臂的受力特點，取約束使門架結構成為單側的一次超靜定結構。

1.3 荷載和工況

計算荷載主要包括主副起升小車自重、門架自重、起吊荷載及風荷載。詳述如下：①門架自重按照設計材料選用鋼板密度7.8×10-6g/mm3；②起升機構起吊載荷后作為集中力分4處加在門架結構上部結構梁內筋板上，其中主起升自重840 kN，副起升自重630 kN；③垂直于大車軌道方向等效風荷載以集中力形式加載在主梁上，平行于大車軌道方向等效風載荷以集中力形式加載在主梁上；④大車制動力以集中力形式加載在門架結構上部結構梁內筋板上；⑤小車制動力以集中力形式加載在門架結構上部結構梁內筋板上。

按照啟閉機的實際工作情況，綜合考慮了各種荷載的不利組合，本次計算主要分析了以下6種工況條件下啟閉機的應力分布和變形情況，如表1所示。

表1 6種工況條件下啟閉機的應力分布和變形情況

表1（續）

1.4 結構尺寸與材料特性

啟閉機根據實際使用工況，門架主梁、端梁、門腿、中橫梁、下橫梁選用箱型梁，結構的外形尺寸及構件的尺寸按圖紙設計選取。門架主結構材料根據業主和規范要求選用Q345B鋼。計算時，取彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，最大板厚20 mm，許用應力220 MPa。

2 結果分析

6種工況條件下門架的有限元分析結果如圖2所示。在工況1的條件下，門架主梁所受應力值最大，最大折算應力值為114 MPa，豎向（Y向）撓度最大值為7.43 mm。在工況4的條件下，門架主梁所受應變值最大，最大折算應力值為108 MPa，主梁發生彎曲變形，懸臂端最大豎向（Y向）撓度最大值為36.7 mm。在工況6大車制動的條件下，水平方向最大變形為6.7 mm。根據有限元分析結果表明：在工況1時，門架主梁所承受的應力值最大為為114 MPa，小于許用應力220 MPa；在工況4時，門架懸臂梁豎向（Y向）應變值最大為36.7 mm，小于許用41.43 mm；在工況6時，門架不平方向變形最大為6.7 mm，小于許用34.695 mm。門架主要構件的大部分板件的折算應力計算值在114 MPa以下，均小于鋼材許用應力220 MPa，撓度也小于許用值。

圖2 6種工況條件下門架的有限元分析結果

3 結論

本次分析了啟閉機門架在各種工況條件下主要構件的應力分布值和變形結果。根據設計規范，強度和剛度均能滿足要求，但根據應力值的大小分布，下一步將通過對門架結構的進一步優化，達到啟閉機的最優方案。