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AQC余熱鍋爐鋼架有限元分析

文檔作者：劉曉明楊曉翔郭金泉陳小韓葉振華何錦坤文檔來源： 1．福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院 2．福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月03日
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· 機(jī)械制造與研究· 劉曉明，等·AQC余熱鍋爐銅架有限元分析
AQC余熱鍋爐鋼架有限元分析
劉曉明 ，楊曉翔 ，郭金泉 ，陳小韓 ，葉振華 ，何錦坤
(1．福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建福州350002；2．福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建福州350002)
摘要：根據(jù)某工程兩臺由于地基下沉而傾斜的AQC余熱鍋爐鋼架特點(diǎn)，利用ANSYS軟件建
立鋼架有限元模型，對鋼架進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，分析了兩臺傾斜鋼架在不同載荷工況下
的應(yīng)力分布及變形情況，并與未傾斜鋼架分析結(jié)果進(jìn)行對比。該方法和結(jié)果為這兩臺余熱鍋
爐的安全運(yùn)行提供依據(jù)，也為類似工程提供參考。
關(guān)鍵詞：余熱鍋爐；鋼架；有限元
中圖分類號：TH12；TB115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-5276(2012)O1-0065-05
Finite Element Analysis of Steel Frame of Heat Recovery Steam Generator(HRSG)
LIU Xiao—ming ，YANG Xiao—xiang ，GUO Jin—quan ，CHEN Xiao—han ，YE Zhen-hua2，HE Jin—kun
(1．College of Mechanical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350002，China；
2．Fujian Special Equipment Inspection Institute，F(xiàn)uzhou 350002，China)
Abstract：According to the characteristics of two foundation sinking and inclined HRSG steel frames，this paper uses ANSYS soft—
ware to establish the finite element mode of steel frame and makes the modal analysis and static analysis．Is also analyzes the stress
distribution and deformation of steel frame under diferent load compares the analysis results with the parameter values of normal
steel frame，The analysis result and method can provide a reference for safe operation of the tw o heat recovery steam generators
and similar projects．
Key words：HRSG：steel frame；finite element
1 工程概況
某工程兩臺AQC余熱鍋爐(窯頭)于2008年4月開
始安裝，2009年1月安裝完成投入運(yùn)行，地處龍巖郊區(qū)，
場地類別為Ⅱ類，按地震烈度為7度設(shè)防，室外布置。因
山下開鑿高鐵隧道，引起鍋爐地基下沉，鍋爐鋼架傾斜。
為確定該鍋爐鋼架傾斜對鍋爐安全運(yùn)行的影響，對兩臺傾
斜鍋爐和未傾斜鍋爐進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析，為這兩
臺余熱鍋爐的安全提供依據(jù)，也為類似工程提供參考。
鋼架未傾斜時，長、寬、高為8．2 m x3．47 m x 14．88 m，共
4層，立柱與梁之間為剛接，支撐與立柱和梁之間也是剛接，
未傾斜鋼架俯視圖及方位設(shè)定如圖1所示，其中A1，A2，B1，
B2，C1，C2為6根立柱，鍋爐安裝在A1，A2梁這側(cè)。
左
前
A2 C2 B2
I 『 I l
一
一
l — 十 十 I
A 1 C1 B1
右
圖1 未傾斜鋼架俯視圖
2 鋼架有限元模型
2．1 力學(xué)模型簡化及假設(shè)
現(xiàn)場通過放樣，測得四臺鍋爐鋼架的傾斜情況見表1
所示。
表1 兩臺鍋爐鋼架最大偏移量
鍋爐鋼架 鋼架高度／m 鍋筒前后側(cè)／mm 鍋筒左右側(cè)／mm
現(xiàn)場觀察得知，鍋爐鋼架混凝土由于鍋爐基礎(chǔ)整體沉
陷，導(dǎo)致鍋爐鋼架整體結(jié)構(gòu)剛體轉(zhuǎn)動發(fā)生傾斜，所以只建
立未傾斜余熱鍋爐鋼架有限元模型，至于1線和2線鍋爐
鋼架發(fā)生傾斜角度不一樣，可由施加的載荷來考慮。兩臺
鍋爐鋼架的力學(xué)簡化模型是基于目前鍋爐鋼架實(shí)際現(xiàn)狀
進(jìn)行的，且鍋爐鋼架鋼筋混凝土基礎(chǔ)及平臺未失效并未繼
續(xù)沉陷。再有，簡化模型主要綜合考慮鋼架整體的變形及
強(qiáng)度問題，并未考慮實(shí)際焊縫的殘余應(yīng)力以及多根鋼架相
連處應(yīng)力集中等問題。兩臺鍋爐鋼架結(jié)構(gòu)為一空間桿系
結(jié)構(gòu)，基于上述考慮可簡化成剛架結(jié)構(gòu)，主要用梁單元進(jìn)
行分析計算。
作者簡介：劉曉明(1983一)，女，福建永春人，福州大學(xué)助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)橛嬎懔W(xué)。
Machine Building Automation，F(xiàn)eb 2012，41( )：65～69 ·65·
· 機(jī)械制造與研究· 劉曉明，等·AQC余熱鍋爐鋼架有限元分析
2．2 有限元模型
由于鋼架節(jié)點(diǎn)均為剛接，因此每個節(jié)點(diǎn)有6個自由
度，ANSYS? 中beam188是兩節(jié)點(diǎn)空間線性單元，每個節(jié)
點(diǎn)分別有3個平動和3個轉(zhuǎn)動自由度，而且鋼架很多梁的
截面不是普通截面，而是型鋼組合梁 J，beam188可以自
定義截面，建模方便，因此beam188單元可以很好地模擬
鋼架。所以文中鍋爐鋼架采用空間梁單元BEAM188進(jìn)行
離散化，鋼架整個結(jié)構(gòu)共劃分了1 194個單元，2 358個節(jié)
點(diǎn)，鋼架有限元網(wǎng)格如圖2所示。
d)載荷工況
根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測兩臺鍋爐鋼架最大偏移量可知，實(shí)際l
線AQC鍋爐鋼架主要向后傾斜，實(shí)際2線AQC鍋爐鋼架
主要向前傾斜，故對以下9種工況進(jìn)行分析計算：
工況1：AQC鍋爐鋼架未傾斜時，施加永久載荷；
工況2：實(shí)際1線AQC鍋爐鋼架，施加永久載荷；
工況3：實(shí)際2線AQC鍋爐鋼架，施加永久載荷；
工況4：實(shí)際l線AQC鍋爐鋼架，施加永久載荷和
向(向后)地震載荷；
工況5：實(shí)際2線AQC鍋爐鋼架，施加永久載荷和
向(向前)地震載荷；
工況6：實(shí)際1線AQC鍋爐鋼架，施加永久載荷和Y
向(左右方向)風(fēng)載荷；
工況7：實(shí)際1線AQC鍋爐鋼架，施加永久載荷和
向(前后方向)風(fēng)載荷；
工況8：實(shí)際2線AQC鍋爐鋼架，施加永久載荷和y
向(左右方向)風(fēng)載荷；
工況9：實(shí)際2線AQC鍋爐鋼架，施加永久載荷和
向(前后方向)風(fēng)載荷。
2．5 邊界條件
AQC鍋爐鋼架基礎(chǔ)采用固定端約束形式，即6個自
由度全部約束。
圖2 鍋爐鋼架有限元模型圖 ，
3 鍋爐鋼架靜力學(xué)結(jié)果分析
2．3 材料物理參數(shù)
鍋爐鋼架材料為Q235一A，材料在常溫下的屈服極限
分別為235 MPa，強(qiáng)度極限為380 MPa，彈性模量為2．1×
10 MPa，材料的泊松比取為0．3，密度為7 850 kg／m 。
2．4 載荷工況
a)永久載荷
鋼架工藝載荷包括鋼架自重，同時還要考慮鍋爐水壓
試驗(yàn)時鍋爐內(nèi)水質(zhì)量，鍋爐及附件、平臺扶梯等質(zhì)量。取
重力加速度g=9．8 m／s 。
b)風(fēng)載荷計算及施加
根據(jù)文獻(xiàn)[3]，風(fēng)壓按下式計算：
I1)K pz s zWo L1)
式中，W 是風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值(kN／m )； 是高度z處的風(fēng)振
系數(shù)； 是風(fēng)荷載體型系數(shù)； 是風(fēng)壓高度變化系數(shù)；W。
是基本風(fēng)壓(kN／m )。通過文獻(xiàn)[3]附錄查到龍巖市50
年一遇基本風(fēng)壓是0．35 kN／m ，其他參數(shù)也可通過文獻(xiàn)
[3]查詢計算出來。
由于風(fēng)向無明確歷史依據(jù)，因此對鋼架分別施加四個
方向的風(fēng)載，并施加在迎風(fēng)面的立柱上。
c)地震載荷計算及施加
根據(jù)文獻(xiàn)[4]，工程設(shè)計按地震烈度7度設(shè)防，水平
向地震動峰值加速度為1．25 m／s ，施加方向?yàn)殇摷苤饕?
傾斜方向。
· 66 ·
圖3為未傾斜AQC鍋爐鋼架在工況一時鋼架Von Mises
應(yīng)力云圖，圖3上標(biāo)尺單位為Pa，最大Von Mises應(yīng)力為86．8
MPa，位于鍋筒后側(cè)右邊鋼架立柱最底層上，但小于鋼材屈服
極限，能滿足強(qiáng)度要求。從圖上可知，最底層六個立柱Von
Mises等效應(yīng)力相差不大。最大變形量為4．0 mill。
# ￡●0 潲●髓 8艚 h 蹲●描 $‘5?
圖3 未傾斜鍋爐鋼架在工況一時Von Mises應(yīng)力云圖
圖4為實(shí)際一線AQC鍋爐鋼架施加永久載荷時鋼架
Von Mises應(yīng)力云圖，最大Von Mises應(yīng)力為87．5 MPa，位
于鍋筒后側(cè)右邊鋼架立柱最底層上，但小于鋼材屈服極
限，能滿足強(qiáng)度要求。最大變形量為4．0 mm。
圖5為實(shí)際二線AQC鍋爐鋼架施加永久載荷時鋼架
Von Mises應(yīng)力云圖，最大Von Mises應(yīng)力為92．8 MPa，位
于鍋筒前側(cè)右邊鋼架立柱最底層上，但小于鋼材屈服極
http：∥ZZHD．chinajourna1．net．Cll E-mail：ZZHD@chainajouma1．net．cil《機(jī)械制造與自動化》
· 機(jī)械制造與研究· 劉曉明，等·AQC余熱鍋爐鋼架有限元分析
圖4 AQC鍋爐鋼架在工況二時VonMJses應(yīng)力云圖
限，能滿足強(qiáng)度要求。最大Von Mises等效應(yīng)力比工況一
大，這是由于實(shí)際2線AQC鍋爐鋼架向右側(cè)傾斜了10
mm，向后側(cè)傾斜91 mm，這就加大了鍋筒前側(cè)右邊鋼架立
柱的承載，所以最大應(yīng)力出現(xiàn)在鍋筒前側(cè)右邊鋼架立柱最
底層。最大變形量為4．8mm。
? 一Ⅷ + ?
圖5 AQC鍋爐鋼架在工況三時VonMises應(yīng)力云圖
圖6與圖7分別為實(shí)際1線和2線AQC鍋爐鋼架施
加永久載荷和 向地震載荷時，鋼架Von Mises等效應(yīng)力
云圖。從圖6和圖7中可知，實(shí)際1線和2線AQC鍋爐
鋼架的最大Von Mises等效應(yīng)力分別為80．4 MPa和95．9
MPa，因此即使在7級地震烈度的影響，現(xiàn)有AQC鍋爐鋼
架強(qiáng)度均能滿足安全使用要求。
圖6 實(shí)際1線AQC鍋爐鋼架在自重與
地震載荷時Von Mises應(yīng)力云圖
Machine Building8 Automation，F(xiàn)eb 2012，41(J)：65～69
圖7 實(shí)際2線AQC鍋爐鋼架在自重與
地震載荷時Von Mises應(yīng)力云圖
本文還考慮了不同風(fēng)載對現(xiàn)有實(shí)際兩線AQC鍋爐鋼
架的影響，表2和表3分別給出了實(shí)際1線和2線sP鍋
爐鋼架在各載荷工況時最大Yon Mises應(yīng)力值。從表中
可知，考慮風(fēng)載荷時，不同風(fēng)向?qū)ΜF(xiàn)有實(shí)際兩線AQC鍋爐
鋼架的影響不同，影響最大的是受負(fù)Y風(fēng)向(風(fēng)向?yàn)橄?
右)，而且兩線AQC鍋爐鋼架最大Yon Mises應(yīng)力值均不
超過屈服極限，可安全使用。
表2 實(shí)際1線AQC鍋爐鋼架在各載荷
工況時最大Von Mises應(yīng)力值 MPa
表3 實(shí)際2線AQC鍋爐鋼架在各載荷
工況時最大Von Mises應(yīng)力值 MPa
靜力分析還研究了1線AQC鍋爐鋼架往鋼架后側(cè)和
右側(cè)繼續(xù)傾斜時及2線AQC鍋爐鋼架往鋼架前側(cè)和右側(cè)
繼續(xù)傾斜時，考慮鍋爐及附件質(zhì)量、平臺扶梯質(zhì)量、鋼架自
重和鍋爐水壓試驗(yàn)時水質(zhì)量等受力時的應(yīng)力情況。設(shè)應(yīng)
力附加系數(shù)k為傾斜鋼架最大應(yīng)力值與未傾斜鋼架最大
應(yīng)力值之間的比值，則表4和表5分別給出了1線和2線
AQC鍋爐鋼架在不同的傾斜偏移量時的應(yīng)力附加系數(shù)。
4 鍋爐鋼架模態(tài)分析
鋼架考慮風(fēng)載、地震作用時，需要知道鋼架的時程特
· 67 ·
· 機(jī)械制造與研究· 劉曉明，等·AQC余熱鍋爐鋼架有限元分析
表4 實(shí)際1線AQC鍋爐鋼架在不同的傾斜
偏移量時應(yīng)力附加系數(shù)表 mm
表5 實(shí)際2線AQC鍋爐鋼架在不同的傾斜
偏移量時應(yīng)力附加系數(shù)表 mm
性，包括自振頻率和自振周期，還要防止結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，因
此必須對鋼架體進(jìn)行模態(tài)分析。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，應(yīng)考慮鋼
架結(jié)構(gòu)1—4階低階振型的影響，表6列出了鋼架的前五
階固有頻率和振型描述。
圖8～圖12分別為AQC鍋爐鋼架的前五階模態(tài)振型
圖。由圖可知，當(dāng)外部激勵頻率達(dá)到第一階固有頻率時，
鋼架結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，共振是沿著鍋爐鋼架的前后方向(圖
上 向)進(jìn)行的。
表6 AQC鍋爐鋼架有限元模態(tài)分析結(jié)果
· 68 ·
圖8 一階振型
圖9 二階振型
圖1O 三階振型
圖ll 四階振型
圖12 五階振型
http：#ZZHD．chinajourna1．net．cn E-mail：ZZHD@chainajouma1．net．ca《機(jī)械制造與自動化》
· 機(jī)械制造與研究· 劉曉明，等·AQC余熱鍋爐銅架有限元分析
(上接第35頁)
曲載荷傳遞到支架和框架結(jié)構(gòu)上，從而減少了行星架和齒
圈之間的偏心。
實(shí)施所有這些設(shè)計措施以后，單個齒輪接觸的載荷得
以減少。同使用3只行星齒輪的機(jī)構(gòu)相比，可以使用更小
直徑的行星齒輪和更小接觸寬度的齒輪，繼而接觸寬度上
的載荷分配得以改善。使用直徑更小的和齒寬更窄的行
星齒輪，化解了由于傳動級及行星輪的增加，齒輪箱質(zhì)量
和體積可能大幅增加的擔(dān)心，能為建立更加小巧和更輕質(zhì)
量的設(shè)計提供了良好機(jī)會。
3 柔性行星輪系的作用
為了分別在I級和II級傳動中實(shí)現(xiàn)5只或7只行星
輪之間的載荷平衡，行星輪應(yīng)該具有一定的自我調(diào)節(jié)作
用，以避免剛性過強(qiáng)，而發(fā)生齒寬方向偏載過大，可稱之為
柔性行星輪。柔性行星輪的設(shè)計采用了一個一雙相對的
懸臂梁系統(tǒng)，懸臂上配有柔性補(bǔ)償裝置，它們在載荷下的
偏斜抵消了它們彎曲時形成的偏心。
柔性補(bǔ)償裝置包括銷軸、套簡等零件，銷軸從行星架
壁懸伸出，而套筒從銷軸的尾部懸臂伸出。將它簡單敘述
如下：當(dāng)兩個切向力施加于柔性銷齒輪上時，來自行星架
上懸臂銷軸的彎曲引起的角度撓度能夠被相反方向來自
銷軸另一端的懸臂套筒的彎曲引起的角度撓度所抵消。
如果在設(shè)計銷軸和套筒的截面時以此為目標(biāo)，每個齒輪接
觸處的撓度將遵循著一個圓周運(yùn)動。這意味著，齒輪接觸
的軸線將不會由于角度定位的不精確而向側(cè)面傾斜，也不
會由于行星架的扭曲變形而超前。
這個解決方案能固定太陽齒輪和齒圈的徑向位置，而
行星齒輪則安裝具有柔性補(bǔ)償?shù)膽冶哿荷?。也就是說，每
個行星齒輪能在兩個中心齒輪之間的徑向上實(shí)現(xiàn)自我調(diào)
節(jié)。除了徑向移動以外，沿圓周方向和平行于行星架的線
性移動都是可能的，并能在單個行星齒輪之間達(dá)到更均勻
的負(fù)荷分配，在整個動力的范圍內(nèi)沒有偏心。以上描述的
由于扭轉(zhuǎn)變形引起的偏心實(shí)際上已被消除，從而，無須對
它們的齒輪進(jìn)行任何前期校正。柔性行星輪的設(shè)計還有
助于補(bǔ)償由于零部件的彈性而引起的傳動裝置的部分內(nèi)
部變形。例如在由于行星架的扭曲引起行星齒輪偏心的
情況下，懸臂的柔性補(bǔ)償裝置就能夠使齒輪的接觸產(chǎn)生某
Machine Building 8 Automation，F(xiàn)eb 2012。41 l、：65～69
些重新對準(zhǔn)。
由于是懸臂式的設(shè)計，同傳統(tǒng)的雙支撐行星架設(shè)計相
比較，彎曲力矩增加，同時每一個懸臂梁的剪切面積要被
除以2。由此可見，在使用該種設(shè)計時，為了保持可接受
的應(yīng)力和撓度水平，通常必須增加更多的行星輪。這就同
前文中提及的為降低單個行星輪的負(fù)載，改進(jìn)行星架結(jié)構(gòu)
增加行星輪數(shù)量保持了一致。另外，正是使用了懸臂式柔
性行星輪設(shè)計，齒輪的偏心減少，行星輪負(fù)載更為均勻，行
星輪可以設(shè)計得更小更窄，為增加行星輪的數(shù)量創(chuàng)造了條
件。所以，柔性行星輪和二級傳動結(jié)構(gòu)是相輔相成的。
4 潤滑的重要性
需要著重指出的是，每個潤滑點(diǎn)，不管是齒輪的接觸
點(diǎn)或者是軸承的支撐，都應(yīng)帶有強(qiáng)制油潤滑系統(tǒng)。除了將
潤滑油供應(yīng)到每個轉(zhuǎn)動部件的中心分配系統(tǒng)以外，潤滑系
統(tǒng)還應(yīng)該包含一臺機(jī)械驅(qū)動泵，以便確保它獨(dú)立于外部油
泵而單獨(dú)供油。
5 結(jié)論
目前風(fēng)電齒輪箱大多采用行星結(jié)構(gòu)，行星齒輪箱與
傳統(tǒng)齒輪箱的最大區(qū)別就是齒輪間一對一和一對多嚙合
的區(qū)別，行星輪之間載荷不均以及同一齒輪上齒寬方向
的偏載，是齒輪失效的最常見原因。柔性行星輪系的應(yīng)
用為設(shè)計人員提供了一個改進(jìn)載荷分配，提高可靠性的
思路和方法。
參考文獻(xiàn)
[1]張志宏，劉忠明，張和平，等．大型風(fēng)電齒輪箱行星架結(jié)構(gòu)分
析及優(yōu)化[J]．機(jī)械設(shè)計，2008．
[2]邢子坤．基于動力學(xué)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)可靠性評估
與參數(shù)優(yōu)化[J]．重慶大學(xué)學(xué)報，2007．
[3]王昌盛．行星減速機(jī)主要零件制造及其誤差分析[J]．工程
機(jī)械，1978．
收稿日期：2011—07—25
· 69 -

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