[發明專利]基于動載荷抑制的多支座大型鍋爐的支撐載荷的設計方法

無效

• 申請號: 201010133148.4
• 申請日: 2010-03-26
• 公開（公告）號: CN101799103A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發明（設計）人: 陳陽;方勃
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: F16M7/00
• 分類號: F16M7/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

1.一種基于動載荷抑制的多支座大型鍋爐的支撐載荷的設計方法，其特征在于：所述設計方法的具體過程為：

步驟一、計算鍋爐的筒體重量G_體、封頭重量F以及鍋爐筒體內水的重量G_水；

步驟二、對雙支座大型鍋爐的結構體系、載荷和支座做出如下簡化：

結構體系的簡化：大型鍋爐的構架是通過焊接形成的，符合力學中對變形固體的連續性假設、均勻性假設和各向同性假設，且當承受垂直于其軸線的外力時，發生的是彎曲變形，因此簡化為梁分析；

支座的類型：按照被約束條件確定支座的類型，大型鍋爐的支座點處的豎向移動被限制，大型鍋爐的支座是滾動鉸支座；

荷載：大型鍋爐主要承受的是重力載荷，包括兩端封頭的重力；將鍋爐簡化為梁分析后體現的荷載則是均布荷載和集中荷載，為求出梁的撓度值，應在梁的中點和梁的集中荷載處設置結點；

步驟三、支座支撐靜載荷計算：

大型鍋爐空載時，只有兩個支撐，根據大型鍋爐的相關參數、形狀，建立的力學模型，兩端為外伸結構，所受均布載荷q由其筒體及其附件自重產生，F為兩端封頭的重量，支座A和支座B之間的梁AB段的長度為L，兩端外伸的長度為L₀，梁的彈性模量為E，截面對形心軸的慣性矩為I；

求出梁的支座反力：以整個梁為研究對象，因為結構為完全對稱，由平衡方程得出支座反力；然后，求剪力方程和彎矩方程；在距A端x處取一橫截面，其左側梁上只有均布載荷q，剪力和彎矩方程為：

Q(x)＝R_A-qx????(0＜x＜L)

M(x)=RAx-q2(x+L0)2=-12qx2+12qLx-12qL02,(0<x<L)]]>

利用撓曲線近似微分方程通過兩次積分得：

EIy=-124qx4+112qLx3-14qL02x2+Cx+D]]>

確定積分常數：積分結果出現了兩個積分常數：一次積分常數C和零次積分常數D；需要兩個已知的條件才能確定上述兩個積分常數；利用支座在A、B處的兩個邊界條件y_a＝0和y_b＝0確定，最后得出梁AB段的撓度：

其中，y_a是均布載荷在A點撓度

y_b是均布載荷在B點撓度

EIy=-124qx4+112qLx3-14qL02x2+(14qL02×L-124qL3)x]]>

代入C點坐標，求出均布載荷在C點撓度為：

λCq=118EIqL02×L2-11972EIqL4(↓)]]>

其中，向下箭頭代表撓度為離開中心向下；

計算集中載荷F產生的撓度，可以求出封頭重量F在C點產生的撓度方程：

λCF=16lEIFL0×L3×[L2-(L3)2]+16LEIFL0×2L3×[L2-(2L3)2]=19EIFL0×L2(↑)]]>

其中，向上箭頭代表撓度為離開中心向上；

利用疊加定理，可以求出C點的撓度為：

λC=λCq+λCF=118EIqL02×L2-11972EIqL4+19EIFL0×L2(↓)]]>

其中，向下箭頭代表撓度為離開中心向下；

支座約束A、B點約束反力為：

RA=RB=q(L+2L0)2+F]]>

大型鍋爐運行工況時，其自身重量及附件產生的均布載荷記為q′，梁兩端的支座A和支座B為靜定基，支座A和支座B之間的支座C和支座D作為多余約束，將載荷q′、F和代替支座的多余約束反力R_C和R_d作用在靜定基上，設定變形協調條件，將等效系統與原超靜定梁在C處的變形進行比較，可得變形的協調條件為：

λ_C＝λ′_C

其中，λ_C′為載荷F和q′在C點處產生的撓度，

應用物理關系，載荷q′和R_C產生的撓度為：

λ′C=λCq′+λCF=118EIq′L02×L2-11972EIq′L4+19EIEL0×L2(↓)]]>

λCR=4RCL3243EI+7RDL3486EI(↑)]]>

其中，向上箭頭代表撓度為離開中心向上，向下箭頭代表撓度為離開中心向下；

將上述各個力產生的撓度代入方程，可得補充方程：

由平衡條件和幾何條件令l＝3e，e為相鄰兩個支座之間的距離，最后得到支座反力：

至此，支座反力R_A、支座反力R_B、支座反力R_C和支座反力R_D已求得；

步驟四、根據靜載荷支撐計算結果，選定所需動載荷抑制機構中的動載荷抑制元件的最佳阻尼參數，具體過程為：

步驟四(一)、確定慣性元件1的質量m，m＝(G_體+G_水+G_體附件)/1000*g，g是重力加速度；

步驟四(二)、通過連接夾具3將動載荷抑制元件2安裝在慣性元件1與動載荷發生裝置4之間，慣性元件1與傳感器連接，傳感器輸出的信號通過變化可求出模態阻尼η，通過不斷變化動載荷抑制元件2面積，測得動載荷抑制元件2的阻尼層的阻尼面積γ與模態阻尼η之間曲線關系圖；

步驟四(三)、通過步驟四(二)得到的阻尼面積γ與模態阻尼η之間曲線關系圖，可得到模態阻尼η最大時的阻尼層的阻尼面積γ值，進而求得動載荷抑制元件2的阻尼層的阻尼面積；

步驟五、將動載荷抑制元件與鍋爐支撐并聯，組成靜載荷支撐與動載荷抑制機構，形成基于動載荷抑制的多支座的支撐形式；

相關參數：

ρ：大型鍋爐材料密度(Kg/m³)；

d：筒體內直徑(m)；

t：筒體壁厚(m)；

e：支座間距(m)；

L：大型鍋爐直段長度(m)；

F：封頭重量(Kg)；

L′：L′＝L+d/3，等效梁長度(m)；

G_體附件：筒體附件重量(Kg)；

G_體：G_體＝ρπt(d+t)L，筒體重量(Kg)；

q：q＝(G_體+G_體附件)/L′，空載時均布載荷(Kg/m)；

G_水：G_水＝ρ_水πd²L/4，加滿水后筒體內水的重量(Kg)；

q′：q′＝(G_體+G_水+G_體附件)/L′，加滿水后梁的均布載荷(Kg/m)；

V_水：V_水＝πd³(2h/d-8h³/3d³+2/3)/32，一個封頭內水的容積(m³)，h是以水箱中心線為基準線的水位高度-d/2≤h≤d/2；

G_封水：G_封水＝ρ_水V_水，封頭內水的重量(Kg)。

2.根據權利要求1所述的基于動載荷抑制的多支座大型鍋爐的支撐載荷的設計方法，其特征在于：支座A和支座B之間的梁加n個支座，n＝[L/(9-12)]。