一种下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法技术

本发明专利技术提供一种下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法，包括：建立卷筒组结构系统的整体有限元模型；确定卷筒结构

【技术实现步骤摘要】
一种下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法


[0001]本专利技术涉及水利水电工程领域，具体是一种下水式升船机主提升机大型卷筒强度和刚度的计算方法。

技术介绍

[0002]升船机作为一种内河通航设施，具有提升高度大、过船时间短、基本不耗水、运行费用较低的优点。自20世纪90年代以来，随着我国水电建设事业的迅速发展，特别是对西部河流大规模的梯级开发，升船机在我国的水电工程上得到了越来越广泛的应用，升船机的设计和研究工作也愈显重要。
[0003]钢丝绳卷扬式垂直升船机在我国的发展已比较成熟，它是以主提升机作为承船厢驱动设备，驱使承船厢沿塔柱升降运行，主要有全平衡式垂直升船机和下水式垂直升船机两种类型，其中下水式升船机能更好地解决机组调峰时引起的下游航道水位变幅大、变率快的问题，在水利水电通航建筑物中得到越来越广泛的应用。对于下水式升船机，主提升机卷筒为关键设备，其安全可靠性对于保障升船机正常运行至关重要。相较于一般起重机机构上应用的卷筒，下水式升船机主提升机上的卷筒具有如下特点：
①
卷筒设备规模较大，目前国内最大主提升机卷筒名义直径达到4.6m；
②
卷筒通过其上缠绕的提升钢丝绳和转矩平衡绳与承船厢与平衡重系统形成复杂的整体系统，钢丝绳数量较多，且荷载大；
③
卷筒组由筒体结构、制动盘和卷筒轴等零件组成，筒体为壳体、板梁和轮毂块体组合结构组成，筒体轮毂与卷筒轴的机械配合轴段以及卷筒轴与轴承的机械轴段为接触连接面，边界条件和子结构连接条件较为复杂；
④
卷筒上均装设制动盘，为了保证装设在制动盘上安全制动器的良好受力条件和制动可靠性，对制动盘的轴向变形有较高的要求；
⑤
卷筒筒体采用厚钢板卷制后，采用纵向焊缝和环向焊缝焊接而成，相较于水利水电工程其他金属结构与设备，主提升机卷筒运转频繁，且船厢在空中和水中交替运行导致卷筒上的荷载变化较大，由载荷的变化和筒体的旋转产生交变应力，疲劳问题不可忽视。为避免升船机断航导致的巨大经济损失，要求设备可靠性高。为了保证其安全可靠的工作性能，规范及相关技术文件对卷筒结构的静力强度、刚度和疲劳强度均有较高要求。
[0004]卷筒结构设计计算常用的方法为解析算法，该方法无法考虑卷筒结构、卷筒轴、制动盘等部件之间的相互影响作用，计算结果偏于保守，导致各部件的板厚和自重偏大，设计冗余度过高，不仅欠缺经济合理性和技术先进性，还容易带来卷筒组结构的制造和安装难度等问题。虽有部分学者采用有限元法对升船机卷筒进行过分析，但模型仅限于卷筒结构，将卷筒与轴的连接部位作为固结部位处理，人为加大了卷筒的支承刚度，所得出的结果偏于不安全。由于未考虑与其他部件的共同作用，钢丝绳荷载和边界条件均过分简化，无法精确地反映卷筒结构的强度和刚度，亦无法计算制动盘变形。同时对于卷筒结构的疲劳强度评估问题，虽有部分学者做过一些卷筒结构的疲劳强度分析，但仅限于筒体与轮辐结构突变引起的应力集中对疲劳强度的影响，且因采用解析法，模型过于简化，均没有涉及卷筒结
构焊缝的疲劳强度研究。
[0005]综上所述，有必要在有限元的框架下，针对下水式钢丝绳卷扬式升船机运行工况和结构特点，结合已建工程卷筒组性能参数现场测量数据，提出下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度有限元计算的综合计算方法和技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对下水式升船机的运行工况以及卷筒组结构与载荷特点以及目前普通卷筒结构强度和刚度计算方法的不足，提供一种下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法。
[0007]一种下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法，包括如下步骤：
[0008]根据下水式升船机主提升机卷筒组各部件的连接特征，建立卷筒组结构系统的整体有限元模型；
[0009]根据卷筒组设备结构和装配的特点，采用综合考虑结构特征与力学原理并结合现场实测数据的方式，确定卷筒结构
‑
卷筒轴
‑
制动盘的边界条件和连接条件；
[0010]根据升船机运行特征，确定载荷工况及相应的计算性能参数、钢丝绳载荷；
[0011]在所述整体有限元模型上施加卷筒结构
‑
卷筒轴
‑
制动盘的边界条件和连接条件，并根据载荷工况，在所述整体有限元模型上施加对应的钢丝绳载荷，采用有限元方法对所述整体有限元模型进行计算，根据有限元计算结果，校核卷筒组结构系统的强度和刚度。
[0012]进一步的，所述卷筒组结构系统的整体有限元模型是将卷筒结构
‑
卷筒轴和制动盘作为一个有机整体考虑，建立卷筒组结构系统的整体有限元模型，有限元模型包含下水式升船机主提升机卷筒组中的卷筒结构、卷筒轴、制动盘、花键套和剪力销，其中筒体由带绳槽的壳体、板梁和轮毂块体结构组合而成，制动盘为圆环形薄壁结构，卷筒轴为阶梯型圆柱实体结构，花键套和剪力销均为连接件，所有部件都采用三维实体进行模拟，网格采用六面体网格。
[0013]进一步的，所述卷筒结构
‑
卷筒轴
‑
制动盘的边界条件和连接条件是根据卷筒组设备结构和装配的特点，采用综合考虑结构特征与力学原理并结合现场实测数据的方式，确定如下：
[0014]①
边界条件：定义靠近制动盘侧的轴端与轴承中面的交截面的下半部分周线为固定约束周线，规定固定约束周线X、Y、Z三向位移为零，其中下半部分周线包括下半圆周和水平中线；定义靠近减速器侧的轴端与轴承中面的交截面的下半部分周线为接触约束周线，规定接触约束周线X、Z三向位移为零，其中下半部分周线包括下半圆周和水平轴线；
[0015]②
卷筒与卷筒轴连接条件：靠近制动盘侧的卷筒轮毂内孔与对应轴段的配合圆柱表面为把绑定连接，该配合圆柱面满足筒体轮毂和配合轴段位移连续条件；靠近减速器侧的卷筒轮毂内孔与对应轴段的配合圆柱表面为接触连接，该配合圆柱面可发生相对位移；
[0016]③
卷筒与制动盘的连接条件为绑定连接。
[0017]进一步的，所述载荷工况及相应的计算性能参数与下水式钢丝绳卷扬式升船机运行特点相符合：
①
正常升降工况LC1下卷筒组静强度、卷筒轴挠度、制动盘轴向弹性位移分布计算：船厢正常升降且考虑最大允许误载水深，船厢处于最高位置；
②
正常升降工况LC1
和LC2下卷筒焊缝疲劳强度计算：船厢正常升降且考虑最大允许误载水深，船厢处于最高位置和最低位置，分别计算卷筒应力分布，并确定一个工作循环应力最大变化范围发生的部位和最大应力变化范围值；
③
事故工况LC3卷筒组静强度计算：船厢对接时水体充满船厢，船厢在空气中处于最高位置，计算卷筒组各部件最大应力。
[0018]进一步的，所述钢丝绳载荷的大小和位置根据钢丝绳的缠绕方式和具体工况下的受载情况确定，并细分为工作圈、安全圈和出绳圈荷载，工作圈和安全圈在卷筒上整圈分布，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法，其特征在于，包括如下步骤：根据下水式升船机主提升机卷筒组各部件的连接特征，建立卷筒组结构系统的整体有限元模型；根据卷筒组设备结构和装配的特点，采用综合考虑结构特征与力学原理并结合现场实测数据的方式，确定卷筒结构
‑
卷筒轴
‑
制动盘的边界条件和连接条件；根据升船机运行特征，确定载荷工况及相应的计算性能参数、钢丝绳载荷；在所述整体有限元模型上施加卷筒结构
‑
卷筒轴
‑
制动盘的边界条件和连接条件，并根据载荷工况，在所述整体有限元模型上施加对应的钢丝绳载荷，采用有限元方法对所述整体有限元模型进行计算，根据有限元计算结果，校核卷筒组结构系统的强度和刚度。2.根据权利要求1所述的下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法，其特征在于：所述卷筒组结构系统的整体有限元模型是将卷筒结构
‑
卷筒轴和制动盘作为一个有机整体考虑，建立卷筒组结构系统的整体有限元模型，有限元模型包含下水式升船机主提升机卷筒组中的卷筒结构、卷筒轴、制动盘、花键套和剪力销，其中筒体由带绳槽的壳体、板梁和轮毂块体结构组合而成，制动盘为圆环形薄壁结构，卷筒轴为阶梯型圆柱实体结构，花键套和剪力销均为连接件，所有部件都采用三维实体进行模拟，网格采用六面体网格。3.根据权利要求1所述的下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法，其特征在于：所述卷筒结构
‑
卷筒轴
‑
制动盘的边界条件和连接条件是根据卷筒组设备结构和装配的特点，采用综合考虑结构特征与力学原理并结合现场实测数据的方式，确定如下：
①
边界条件：定义靠近制动盘侧的轴端与轴承中面的交截面的下半部分周线为固定约束周线，规定固定约束周线X、Y、Z三向位移为零，其中下半部分周线包括下半圆周和水平中线；定义靠近减速器侧的轴端与轴承中面的交截面的下半部分周线为接触约束周线，规定接触约束周线X、Z三向位移为零，其中下半部分周线包括下半圆周和水平轴线；
②
卷筒与卷筒轴连接条件：靠近制动盘侧的卷筒轮毂内孔与对应轴段的配合圆柱表面为把绑定连接，该配合圆柱面满足筒体轮毂和配合轴段位移连续条件；靠近减速器侧的卷筒轮毂内孔与对应轴段的配合圆柱表面为接触连接，该配合圆柱面可发生相对位移；
③
卷筒与制动盘的连接条件为绑定连接。4.根据权利要求1所述的下水式升船机主提升机大型卷筒组强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：王蒂，金辽，廖乐康，吴玮，王可，邓润兴，方杨，湛伟杰，袁晓斌，
申请(专利权)人：贵州乌江水电开发有限责任公司构皮滩电站建设公司，
类型：发明
国别省市：