运用结构力学求解器确定大型设备运输中鞍座位置

运用结构力学求解器确定大型设备运输中
鞍座位置
■赵宏飞 赵亮 陈方华 王广明 姜志光
中石化重型起重运输工程有限责任公司，北京，100029
摘要:近年来，随着大型起重机的高速发展，石油化工行业的不断革新，越来越多的千吨级大型设备由制造厂完成整体运到现场，而装船运输途中的鞍座摆放位置大多是凭经验选取，这就导致了许多重量大、鞍座较多的设备在运输途中，各个鞍座受力不均，更可能出现“不受力”的情况。

而分析各个鞍座受力是多次“超静定”结构，计算极其复杂，运用结构力学求解器软件可以直观地表示出鞍座受力大小与方向，从而更加有效地确定鞍座位置。

结合工程实践，对某项目乙烯装置核心设备2#丙烯塔运输鞍座受力进行分析，结果显示原第二个和第四个鞍座“不受力”，因而改变鞍座之间距离后使得各个鞍座受力均匀后进行运输作业，为项目后续运输鞍座摆放提供了依据，希望今后对于运输中鞍座位置选取有可借鉴之处。

关键词：鞍座位置；运输；受力分析；超静定；借鉴
引言
此次研究课题为大型设备运输过程中鞍座受力分析，以此来确定各个鞍座在设备底部的分布情况。

运用结构力学求解器软件进行数学建模，将设备简化为刚性连接梁，鞍座简化为各个铰支座，建立“超静定结构”，对各个支座的支反力进行计算校核。

以往运输中，由于此模型为多次超静定方程，极难计算，大多凭经验确定鞍座位置，一直无法用计算数据来提供理论依据，本文即根据此问题进行研究，运用结构力学求解器软件建模，从而确定大型设备运输时鞍座位置，为现场施工提供技术支持。

本文针对2#丙烯塔运输时鞍座位置，进行建模计算，研究结果表明，六个鞍座中有两个鞍座是“不受力”情况，而这就导致另外四个鞍座受力增加，并且造成成本浪费，通过调节鞍座位置，使得四个鞍座受力均匀，方进行施工。

1 概述
随着起重机能力的增强，越来越多的设备采取整体吊装，随之而来的便是整体运输的难度增大，此时，自行式液压平板车（以下简称轴线板）运输是最高效的运输选择。

某项目80万吨/年蒸汽裂解装置核心设备2#丙烯塔采用船舶整体运送，该设备直径7800mm、高109550mm、含鞍座重达1620吨，采用4纵列72轴轴线板进行运输。

在项目前期，需要及时和制造厂沟通联系，结合轴线板的长度确定鞍座位置向制造厂反馈，以便装船时按此要求摆放，大大减少卸船时间和运输成本[1]。

为了减少设备运输及现场摆放的弯曲变形和应力，工程上经常采用增加鞍座的方法。

此时，设备可以简化为一个连续梁，鞍座简化为多个铰支座，而此时，可以看做是一个多次超静定结构，计算难度大，如何在保证鞍座均匀受力且不易变形的前提下确定鞍座的位置成为重点及难点。

2 运输工艺
2.1 轴线板简介
2.1.1 轴线模块信息
1）轴线模块宽2430mm，液压补偿±350mm，如图2.1为轴线模块外形尺寸：
2）轴线模块能力与行驶速度息息相关，因而在实际工作中必须保持低速平稳前进，如表2.1所示不同时速下轴线模块的轴载荷能力：
表2.1 轴线模块数据
行驶速度/
km/h
最大净载重/
KG
自重/
KG
允许总载荷/
KG
允许轴载荷/
KG 51266501735014400036000
31426501735016000040000
11746501735019200048000
0.51746501735019200048000
2.1.2 轴线模块特点
1）高载荷，相较于其他运输车辆，轴线模块的轴载
高达48吨；
2）灵活性高，轴线模块适用于厂区内不同地形，可直线行驶、横向行驶及原地旋转等操作；
3）高效性，轴线模块可以拆组，每个模块间少于20分钟便可拼接完成，且车身宽度较小，可放于集装箱内随时调遣。

2.2 轴线板核验
2.2.1 轴载能力验算
对于轴线板轴载能力计算，大多选取三点支撑编点计算，即将设备由重心位置两边均分，前后轴线板各自分担一半的重量。

三点支撑编点的A点支撑一半重量，B、C 点共同支撑一半重量，各自负荷率满足条件即可按此配车执行。

如图2.2为三点支撑编点计算简易图
本次运输拟选取4纵列72轴线，顶点位置为4纵列36轴线，另外两点均为2纵列18轴线，行驶速度不大于1km/h，即额定轴载荷为48t/轴。

对于A点承重能力计算如下
G
A
=48×36=1728t
式中G A——A点承重能力
而A点位置总重量1620÷2=810t
即A点处轴线板负荷率为
同样地，对于B、C点的轴线板负荷率为
因此，所选轴线板模块负荷率均满足要求。

图2.1 
轴线模块外形尺寸图2.2 三点支撑编点简易图
2.2.2 牵引力校核
本次运输所选PPU两个，因而驱动轴N=36轴，每轴牵引力F1=12t。

由于现场环境不一，摩擦力及坡道阻力也同时存在着，因而需要校核牵引力，根据现场环境，我们知滚动摩擦系数μ=0.02，纵向坡度θ=5%。

运输总重计算
m=1620+240=1860t
行驶途中摩擦力计算
f=m×μ=1860×0.02=37.2t
坡道阻力计算
f1=m×θ=1860×5%=93t
行驶阻力计算
F=f+f1=37.2+93=130.2t
牵引力计算
F2=N×F1=36×12=432t
牵引力校核
F2=432t>F=130.2t
3 用结构力学求解器力学计算
对于“超静定”结构计算，工作量庞大，本文采用结构力学求解器进行分析鞍座摆放位置的受力及设备在运输途中的挠度和弯矩，通过对比受力情况和挠度稳定性，确保运输过程中安全可靠。

3.1 结构力学求解器建模
1）本次运输鞍座拟选用6个，鞍座位置如图3.1所示：2）相应地，结构力学求解器建模如图3.2所示，即将设备分为7段，且每段均为刚性连接，保证设备是一个整体，即对应8个结点：
3）给鞍座摆放位置添加结点支撑，由于设备本体是刚性连接，所以支座类型选取一个铰接，五个刚性支杆连接，确保对设备横向和纵向约束均作用于设备，保证设备平稳运输，模型支座图3.3所示：
4）根据设备本体总重，运输过程中，将设备自重简化为均布载荷作用于六个鞍座，以达到最优计算，均布载荷计算如下：
式中，q——均布载荷大小（N/mm）；m——设备总重（t）；L——设备总长度（mm）.
代入式中，
5）模型共有七个单元，每一个单元均提供一个大小相等方向相同的均布载荷，如图3.4
所示：
图3.1 鞍座位置图
图3.2 结构力学求解器建模
图3.3 模型支座确定图图3.4 
单元载荷图
3.2 力学计算
1）2#丙烯塔的材料性质如表3.1所示：
表3.1
材料性质表
名称符号数值单位设备内径d 7800mm 设备壁厚t 50mm
设备材质
/Q345R /泊松比λ0.3/弹性模量
E
200
GPa
2）材料性质计算如下：设备筒体截面积
设备筒体截面轴惯性矩
抗拉刚度EA =200×0.3925×1010=78500000000N 抗弯刚度EI =200×9.49853×1010=18997060000000N ·m 2[2]
3.2.1 鞍座支撑力计算
如图3.5所示为鞍座受力方向图：1）反力计算
由此可见，鞍座之间间距分布太小，因而导致第二个和第五个鞍座出现“不受力”情况，如表3.2所示，第六个鞍座受力最大为811.557t，因而需要调整鞍座位置。

2）挠度计算
如图表所示，两端挠度最大，左端挠度52.7mm，右端挠度28.1mm，对比109550/500=219.1mm，挠度安全。

图3.5 鞍座受力图
表3.2 约束反力表
表3.3 挠度数值表
3）弯矩计算
如图所示，最大弯矩位置在第一个鞍座位置，符合强度条件。

4 结论
吊装及运输领域日益强大，大型设备逐渐增加，对于运输鞍座受力分析至关重要，合理摆放鞍座是技术领域的革新。

针对材料力学对超静定结构计算存在不足之处，计算复杂，运用结构力学求解器建模计算各鞍座内力和杆端挠度，利用模型图直观显示出支撑力的方向和大小及挠度变形位置，从而为后续运输鞍座位置确定提供数据支持。

但是在计算中，建模计算并未指出鞍座最佳摆放位置，还需要反复推敲，增大鞍座之间的距离，再重新建模计算，来确定支反力、挠度和弯矩，这就使得工作重复化，希望后续可以研究此软件在此类问题中的改进，可以直接根据鞍座受力，提供最合理的鞍座位置。

参考文献
[1] 石油化工大型设备运输施工规范编写组.SH/T 3557-2015 石油化工大型设备运输施工规范[M].北京：中国石化出版社，2015
[2] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，
2016
图3.6 挠度表示图
图3.7
弯矩示意图。