箱式变电站吊具强度计算讨论..doc

.箱式变电站吊具强度计算讨论苏州爱信输配电设备有限公司 肖云骧 邹文治关键词：起吊、吊具设计、安全校核箱式变电站始于上世纪60年代研发应用，70年代我国也开始箱变研制和生产，其箱体外壳材料从金属钢板、铝板、不锈钢板、彩钢板等，逐步有被新兴非金属GRC复合材料所替代，箱体中的材料除底架为钢制外，其余如隔室板、门等逐步非金属化。由于非金属GRC材料制造的箱体有着多重优点，而且可在如城市人行道旁、绿化区、高架桥下、生活小区、景区等地方安装，外观可与环境相匹配。又由于占地面积较小，仅是土建变电所的1/51/10，不但减少占地和建筑费用，而且还省去申报基建项目的审批麻烦，所以箱式变电站得到快速发展。随之而来的是非金属箱体应用范围和数量也不断扩大，使用非金属箱体已不仅限于10KV箱式变电站，20KV、35KV箱变上也相继使用，并扩展到电站用消弧线圈柜、中性点电阻柜、110KV高压电熔补偿柜箱体等。其他行业如天燃气户外燃气调压站箱体，电信户外站箱体等等。由于非金属箱体与其他金属箱体相比，其重量偏大，一般常规10KV箱变箱体重在2.5吨6吨，个别体积较大的箱体重可达10吨以上。随着非金属箱体应用数量的增多，事必在生产、运输、安装等过程中，起吊频率也会随之增加，箱体搬运装卸是使用专用吊具起吊的。众所周知，重型物体的起吊一向被认为是危险性较大的作业，所以起吊箱体专用吊具的强度、安全性也倍受关注。图片（一）是在起吊现场吊具折断照片。经事后检查分析、核算是由于材料外型不符于规定尺寸，吊具横梁上轴向压力过载，失稳造成的。本文着重讨论吊具设计安全强度的核算方法供参考。一、 非金属箱体重量的估算在运输装卸等起吊时，都要对物体进行一下重量估计，以便评估作业时安全性及可行性。非金属箱体重量一般在2.56吨，特殊大型箱体在10吨以上。我们根据计算和实际称重，整理一个估算箱体重量经验公式，行业中普遍认同。G = LbkG 常规尺寸箱体重量kg(箱体高度在3m以下)L 箱体外型长度（m）b 箱体外型宽度（m）k 系数，取500550kg/m2例：箱变箱体外型尺寸：4300*2500*2300（墙高）m/m，其箱体重量？G = Lbk = 4.32.5 k = 53755912公斤实际称重结果与估算之间差距主要受每个箱体的门的多少及浇注施工时对墙板、顶盖的厚度尺寸的掌握上。二、 箱体的吊装及吊具箱体的起吊现场情况见图片（二）所示，车间内起重行车上吊钩钩住吊具上两根较粗的钢丝绳，两根钢丝绳用卸扣扣在一起，防止起吊受力时，单绳滑脱。吊具横梁下面四根钢丝绳，上面用卸扣与横梁上孔相联，起吊箱体时，将四根钢丝绳下端分别套在箱体专用吊杆上。箱体上的吊杆不用时，可推入箱底架底框内。图（三）是一个专为用户设计箱变吊具，其结构是采用两根14a槽钢，背靠背，中间以厚15m/m的钢板焊接而成。吊具由横梁及钢丝绳和卸扣组成。20钢丝绳 长1800m/m 承重211KN/根 两根 16钢丝绳 长3200m/m 承重133KN/根 四根卸扣 M36 4个（号码4.9） 运用钢丝绳最大直径26 承重48KN卸扣 M20 1个（号码1.4） 用于扣住二根钢丝绳防止受力滑脱三、 箱体起吊时受力分析起吊箱体时情形见图（四）a，其受力分析见图（四）b在三角形ABC中，已知吊具横梁长度BC=L,两钢丝绳AB与AC等长，即AB=AC=箱体重G作用线与钢丝绳形成的夹角为。起吊时，箱体重G作用于两根钢丝绳上。作用在刚体三个相互平衡的力作用线在三角形abc中交汇于a点。按解析法求解，运用正弦定理：得 = 令dc=ac=ab=P ad=G 则 = ， P = .G - (1)已知三角形acd,因ac=cd 是等腰三角形 故oc为顶角中心高。在直角三角形aoc中sin 已知ac=, oc=bc= 则 sin= -2吊具横梁bc所受的轴向压力见图（四）c，由等腰三角形abc中，因为ab=ac=P 令bc=N(轴向压力)，仍由正弦定理求得=N =.P - (2)由式（1）和式（2）知，当箱体重G为一定时，钢丝绳上所受涨力P与钢丝绳夹角有关，越大，则涨力P越大，同时吊具横梁上所受轴向力N也越大。则安全性相对降低。故建议在条件允许情况下，加长钢丝绳长度，来减小角度，能够降低钢丝绳涨力和吊具横梁上的轴向压力。四、 实例计算：见图（三）吊具为例：吊重限10吨，验算吊具横梁的安全性。已知吊具上方两钢丝绳20 长1800m/m ， 吊具横梁支点长度2850m/m，吊重箱体G=10吨=98KN解：1、钢丝绳涨力P，按式（1）P = .G sin= L=2850 m/m =1800 m/mP = 98 =52.5 = 80.49KN =180-252.5 =75查20m/m钢丝绳允许载荷为211KN 故安全2、吊具横梁轴向压力N 按式（2）N =.P 已知 =52.5N =80.49 =75 =127.7KN3、验算横梁安全性由图知，吊具结构由两根背靠背，中间相距15m/m 14a号槽钢组成，受力支点长度2850 m/m 。14a槽钢查表：单根槽钢截面积 A = 18.516cm2X轴惯性矩 Ix = 564 cm4Y轴惯性矩 Iy = 53.2 cm4 Eo = 1.71cm 由已知条件分析：受力杆长为2850m/m，两端铰支已求得吊具横梁轴向压力N = 127.7KN 验算是否安全。两根14a槽钢 A = 218.516 cm2Ix = 2564 cm4Iy =253.2 +18.516（0.75+1.71）2 =2165.25 cm4取最小惯性矩 Imin= Iy =2165.25 cm4最小惯性半径 = =2.987 cm其杆的柔度 =1 =2850m/m =在工程中，若求得的p的压杆（即p=100），这类压杆的临界应力超过材料的比例极限，而小于屈服强度s时，其杆的强度失效是以失稳为主，故适用经验公式验算其强度临界应力cr即 cr = a - b - (3)已知槽钢Q235A,查表得公式的系数a、b及柔度p、s材 料a/Mpab/Mpapss/ MpaQ235A3041.1210061.623545钢5783.74410060350铸铁332.21.45480木材28.70.1911040 a = 304 b = 1.12 s = 235 Mpas = = = 61.6当=95.4时61.6100满足（sp）则横梁上的临界应力：按式（3） cr = 304-1.1295.4 = 197.14 Mpa临界力Pcr = cr.A = 197.14218.516102 = 730 KN工程中金属结构中钢制压杆安全系数n= 1.83则横梁上的许用载荷P = = 243.3 KNN P结论：吊具吊重限10吨=98KN时安全。参考文献： 1、工程力学 (第二版) 李春凤 刘金环 主编 2、材料力学（第三版）