煤斗的有限元法计算探讨

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摘 要：在实际的生产中，大型发电机组的耗煤量很大，煤斗的容积就成为了重要的指标，在煤斗选型上，就需要既要考虑结构的合理性，也要考虑是否能够满足工艺要求。结合实际生产需求，我们设计复合型煤斗，充分发挥混凝土和钢结构的特性，使之达到优势互补。在计算分析方面，采用有限元软件Midas计算，对结果作科学分析，总结有限元软件Midas的优缺点，对软件的使用提出一些实际性建议，得出一些对设计施工有帮助的结论。

关键词：火电厂 煤斗 有限元计算

一、引言

随着国家对环保事业的重视，火电厂正朝着大容量、超临界机组的方向发展，机组的增大，相应地对煤斗的要求必然随之提高，如仍采用传统的圆形煤斗，肯定会产生以下弊端：煤斗高度过高；皮带层标高上升；电厂煤仓框架体量增大；煤斗不能满足三路皮带机布置要求。因此，为了更好地解决这些问题，设计新型煤斗势在必行。结合某工程，设计新型复合型煤斗，并利用有限元软件进行分析，得到复合型煤斗各个部位的应力和变形值，为施工设计提供依据，为钢煤斗支承结构设计提供准确的反力荷载数据。

二、复合型煤斗特点与方案确定

传统上的煤斗多采用钢圆煤斗、钢方煤斗、带方圆节钢煤斗、椭圆形钢煤斗。另外有少许裤衩形钢煤斗。不论哪种煤斗，其选型的关键要素是：结构受力、落煤顺畅、容积量、钢材用量、施工难度。通过计算与设计比较，确定一个比较好的方案，供有限元分析计算很有必要。

1.复合型煤斗的特点

本文论述的复合型煤斗与传统圆钢煤斗相比，具有以下特点：

可充分利用已有的框架梁作为支撑点，煤斗线荷载始终作用在整个框架梁上，受力点分布均匀，受力传导途径简单，避免了因荷载集中，框架横梁负载过大的缺点；因其荷载重心低，在抗震性能方面，具有明显优势。

复合型煤斗上口设计为方形，与皮带层框架梁的契合性加强，煤斗直接利用皮带层楼板，即可达到密闭效果，又降低皮带层高度，增加了安全性。复合型煤斗可有效降低主厂房高度，减少施工量，缩短建设工期，节约基建费用。

2.复合型煤斗的方案确定

复合型煤斗，其上口垂直段为混凝土矩形，可满足输煤皮带落煤的需要；用混凝土墙与煤仓间连接，节约钢材，降低施工难度；支撑煤斗的框架梁，设置为八字形斗梁，可均匀分散负载；为了更好地实现混凝土矩形到圆钢斗过渡，设置过渡钢斗，其下锥斗仍采用钢结构圆锥斗，过渡钢斗槽钢节点作为过渡钢斗的支撑点，将其支承于八字煤斗大梁侧挑耳上，过渡自然，构造简单，方便施工。因地制宜地利用了煤仓间空间，降低了煤斗整体高度，充分发挥了混凝土和钢结构的特性。

整个煤斗平面外形及立面见图1，图2.

图1组合式煤斗平面布置 图2 煤斗立面图

三、复合型煤斗的计算分析

复合型煤斗是一种复杂的空间结构，没有现成的应力和变形计算公式，因此在设计的时候，其难度比较大。采取有限元软件Midas对其进行分析计算是一个好方法。

1、复合型煤斗的结构特征

过渡钢斗上口是八字形，与煤斗梁相连接，出口为圆形，连接圆锥斗，出煤口偏向一侧，斗壁夹角大于70度，满足了落煤要求。

支承锥斗上口处与加劲板连接在挑耳槽钢上，连接方式简单，传力直接。

槽钢作为支座，承受着整个煤斗的荷载，受到的压力较大，为了避免槽钢出现局部屈曲问题，在设计时，根据受力情况在支点处设置加劲肋，提高刚度。

2、复合型煤斗的计算模型

设计中模型优化需要考虑的因素：

传力途径必须明确，考虑施工方便，方圆节采用“横肋+板”的结构。

横肋布置的原则：板与横肋的应力要尽量均匀分布。

考虑钢板承受的侧压力和自重产生的切向力作用，参照相关资料可以拟定为为0.1，煤斗自重产生的切向力，可按照单位截面上煤重和结构自重计算得出。

横向加劲肋承受两种压力：板传来的水平压，垂直面传来的水平拉力。这两种受力情况比较复杂，采用Midas有限元软件建模计算则很方便。

在有限元Midas程序中，锥斗壁上荷载有两种输入方法：（1）在整体坐标系中输入竖向压力和水平压力；（2）在局部坐标系中输入法向压力和切向压力。两种输入法，结果一致。见图3：

图3. 钢斗有限元模型图4.应力云图 图5.位移图

3.复合型煤斗的内力计算

有限元Midas程序中设置偏心有三种方法：一是在定义截面时，直接设置截面偏心；二是设置刚域；三是设置刚性连接。

经Midas程序运算，查看梁单元的内力结果，发现钢梁设置偏心后所得弯矩图为锯齿状，把肋梁取出，用板单元分析，用ANSYS有限元软件分析计算，与Midas计算结果作比较。发现当将弯矩值与该点轴力与偏心距之积相加，即能得出偏心弯矩图；然后将偏心取消，得到的梁弯矩与实际情况相符。见图4.

4、应力结果分析与位移计算

对煤斗进行应力分析，考察其最大应力及其分布，发现其最大应力往往发生在过渡钢斗中部。在荷载标准组合下，煤斗的最大位移值为9.4mm，发生位置在靠近煤仓间中部的竖壁钢板上，标高为30.5m。 见图5.

四.结论

本文利用有限元Midas软件，提供煤斗各部位应力与变形分布图，其效果非常直观，这是过去利用传统的筒仓设计手册计算难以达到的。有限元Midas软件功能强大，是一款实用的分析设计工具，在有限元Midas软件的应用过程中，我们要发挥该软件强大的建模功能，根据工作经验和专业知识，克服软件的局限性，使之能够更好地发挥功效。

参考文献

[1]王凤珍.电厂钢圆煤斗壁厚计算及分析[J].科技情报开发与经济，2009，（3）.

[2]张震，王黎明.浅谈钢煤斗的设计[J].山西建筑，2009，（7）.