利用仿真技术解决重型设备特殊位置安装难题

李新辉

（中国有色金属工业第六冶金建设有限公司，河南 郑州 450000）

在设备安装过程中，多数重型设备的安装都是在设备底表面水平固定，即水平安装。水平安装设备关键部位位移一般不会超出设计标准。但是有些重型设备不是水平安装，安装固定位置比较特殊，结构受力较为复杂，很容易发生关键部位位移超标的问题。传统解决方式主要靠经验，多种方法不断尝试，直到解决为止。传统解决方式工期长、成本高，并且不一定是最优方式，越来越不适用。为了更好的解决此类问题，避免传统方式的不足，我们创新一种通过计算机仿真技术在电脑中模拟重型设备安装状态的受力变形情况，进行多种解决方案效果模拟，高效、经济的解决了关键部位位移超标问题[1]。

1 工程概况

1.1 生产线设备情况

中铝瑞闽股份有限公司汽车板项目2400mm气垫式连续热处理线设备安装包括开卷系统、剪切系统、纠偏装置、热处理系统、卷取系统、管道系统、电气系统等。

1.2 纠偏装置位移超标情况

热处理线设备上有多台纠偏装置，其中，多数纠偏装置都是水平安装于车间地坪基础或者钢结构平台上，安装位置精度都符合设计标准。而7号纠偏装置属于特殊部位安装，即悬空侧装于钢结构立柱的侧面，安装完成并去掉各项支撑措施后，上部纠偏辊顶面标高发生6mm的向下位移，严重超出设计标准。

需要说明一点的是，7号纠偏装置安装验收的关键依据就是两个纠偏辊的顶面标高。

下图1中与左侧框架钢结构四根H型钢横梁（下部两根，上部两根）连接的设备就是7号纠偏装置。7号纠偏装置重量13.6吨，主要由上下两个同尺寸纠偏辊以及固定两个纠偏辊的两个“田字形”钢构件组成。下图1中7号纠偏装置上部被遮挡部分可以参考图2。

图1 7号纠偏装置

图2 7号纠偏装置安装位置3D模拟图

2 7号纠偏装置位移超标情况分析

2.1 固定7号纠偏辊的框架钢结构情况

从图1、图2可以看出，固定7号纠偏装置的框架钢结构位于一个钢筋混凝土基础坑内，框架钢结构的4根立柱通过地脚螺栓固定于下方的混凝土基础上，7号纠偏装置通过4块刚衬板焊接在框架钢结构的4根H型钢横梁上。

2.2 7号纠偏装置安装工艺简要介绍

用桥式起重机吊起7号纠偏装置，使7号纠偏装置和框架钢结构的连接部位靠紧；同时在7号纠偏装置的下部设置刚性支撑和螺旋千斤顶；侧部使用夹具施加水平力，使7号纠偏装置和框架钢结构的4根H型钢横梁紧密接触；在以上措施的配合下把7号纠偏装置调整到设计位置，测量合格后在连接部位焊接牢固。焊点冷却到规定时间后撤掉各项安装辅助措施。

2.3 支撑措施拆除前后状态对比分析

各项安装辅助措施撤掉前，7号纠偏装置的重力全部由吊车和下部支撑措施承担，框架钢结构与7号纠偏装置连接的4根H型钢横梁只承担水平力（抗倾覆力）。水平力和7号纠偏装置的重力相比是较小的。各项支撑措施拆除后，7号纠偏装置的全部重力都由框架钢结构承担，并且是悬臂状态安装，整体结构受力比较复杂。

经过排查，7号纠偏装置是整体安装，没有发现由制造原因导致明显变形的因素；框架钢结构制造方面的瑕疵也不足以产生明显变形。7号纠偏装置安装位置属于悬臂安装，在自身重力作用下有一定的下挠度是正常的。框架钢结构在13.6吨的偏心重力作用下发生变形也是必然的。综上可以得出，导致纠偏辊位移超标主要是7号纠偏装置下挠变形和框架钢结构的变形综合导致。

3 变形解决方案

7号纠偏装置和框架钢结构的变形情况以及减小变形措施的效果可以通过计算机仿真技术来模拟。计算机仿真技术选用的软件是solidworks，该软件包含建模和仿真分析等功能，完全满足使用要求[2]。以下为软件具体应用步骤。

3.1 计算机模型建立

首先对各构件进行三维建模。建模的原则是：对框架钢结构和7号纠偏装置的主要受力构件和组成部分进行建模，对结构受力影响很小的部分不再建模[3]。下图3是完成的计算机三维模型：

图3 7号纠偏装置与框架钢结构三维装配模型

图3中框架钢结构长宽高为5200mmX5600mmX5600mm，由HW500X475、HW400X400、HW350X350、HW300X300和HW250X250等H型钢焊接而成。4根立柱通过地脚螺栓固定在钢筋混凝土基础上。7号纠偏装置连接4块钢衬板的“田字形”钢构件由250mmX250mm的方管焊接而成，宽高为4100mmX5200mm；固定纠偏辊的“田字形”钢构件也是由250mmX250mm的方管焊接而成，宽高为3200mmX4800mm；两块“田字形”钢构件通过高强螺栓连接在一起。两个纠偏辊由钢管和钢棒加工焊接而成，直径1200mm，长度2500mm，纠偏辊芯轴两端通过轴承固定在“田字形”钢构件的四根工字钢上。

3.2 应力分析过程与结果

打开solidworks的仿真分析模块，调入图3所示的模型，将框架钢结构的4根立柱底部固定，在重力的作用下，进行应力分析，输出各部位位移分析结果，如下图4所示（图4中英文URES代表的是位移，单位是mm，6.012e+00表示6.012x100=6.012，5.010e-01=5.010x10-1=0.501，下同）[4]。

图4 各部位位移图

从图4中可以看出，最大位移量为6.012mm，位置位于7号纠偏装置上部纠偏辊的上顶面。计算机仿真应力分析的结果与7号纠偏装置安装完成后的实测误差基本一致。

从图4中也反映出框架钢结构和7号纠偏装置都发生一定程度的变形。和上文分析的结论是一致的。

3.3 确定最优变形控制措施

3.3.1 措施选择

（1）第一种措施：增强框架钢结构主要受力变形部分的刚性。

（2）第二种措施：增大7号纠偏装置主要受力变形部分的刚性。一般情况下，先采用第一种措施，第二种措施的采用要有两个前提：一是采用第一种措施后还不能满足设计要求，二是需要经过设备供应方和使用方的同意。

3.3.2 第一种措施的应用

第一种措施在应用过程中也有多种方式，每一种方式的效果是不一样的。利用计算机仿真技术，在软件中模拟每一种方式的效果，可以快速找到最佳的增加整体刚度的方式[5]。

（1）方式一：下部增加两根型钢斜撑。通过增加横梁的支撑力，减小横梁的变形，如下图5所示：

图5 横梁增加型钢斜撑示意图

把图5的模型导入到仿真软件，应力分析后的各部位位移情况如下图6所示：

图6 方式一的各部位位移图

如图6所示，7号纠偏装置最大位移还是在上部偏导辊的上顶面，数值为5.274mm，与原设计相比有一定的改善，但改善程度较小[5]。

（2）方式二：加长横梁之间的小立柱长度，使小立柱上部贯通到最上端的横梁，下部延长到钢筋混凝土基础表面并螺栓固定。增加横梁的整体刚度，如下图7所示：

图7 小立柱两端延长示意图

把图7模型导入到仿真软件，应力分析后的各部位位移情况如下图8所示：

图8 方式二的各部位位移图

如图8所示，7号纠偏装置最大位移仍然在上部偏导辊的上顶面，数值为4.943mm，与原设计相比有一定的改善，但改善程度还是较小。

（3）方式三：方式一和方式二都是增加竖直方向的支撑，如果在方式二的基础上继续增加水平方向的支撑，这样的话，承重横梁在两个受力方向上的刚度都得到了加强，如下图9所示：

图9 综合刚度增强示意图

把图9模型导入到仿真软件，应力分析后的各部位位移情况如下图10所示：

图10 方式三的各部位位移图

如图10所示，模型上最大高程的偏差下降到了1.201mm，发生在下部纠偏辊的侧部；上部纠偏辊上顶面的偏差不超过0.7mm，下部纠偏辊上顶面的高程偏差不足0.9mm；而框架钢结构的变形量控制在了0.1mm以内。图10的总体结果说明7号纠偏装置纠偏辊发生的高程偏差绝大部分来自于框架钢结构的重力变形，并通过加强措施使整体结构变形取得了非常好的改善效果。

根据以上三种方式，可以总结出，承重框架钢结构刚度增强需要在竖直和水平两个方向上增加支撑措施，才能有效控制结构构件变形量。

3.3.3 第二种措施的应用

通过第一种措施的应用，7号纠偏装置纠偏辊位移量大大减小，但还不足以满足设计要求，需要通过措施二来进一步减小位移量，直到满足设计要求。措施二也有几种方式，主要有以下两种：方式一，增加支撑使“田字形”的变形量较小；方式二，调整纠偏辊两端轴承的位置，使纠偏辊的空间位置满足实际要求。

方式一也是采取如上文所展示的仿真技术进行模拟，比较适合大偏差调整。方式二只要松掉轴承固定螺栓，增加垫片即可，适合微调。根据纠偏辊的实际偏差，最后设备供货方选择方式二，即对纠偏辊轴承进行微调，使7号纠偏装置的安装关键部位的位移控制在0.5mm以内，满足了设计要求。

4 结语

计算机仿真技术的应用对解决重型设备特殊位置安装所遇到的复杂问题提供了一种新的解决思路和方法，对精准施工起到了较大的辅助作用，施工效率、质量等方面获得了提高。