450 t鑄造起重機橋架開裂原因分析

嚴愛軍,徐衛(wèi)文,羅會信,張 偉

(1武漢鋼鐵股份有限公司設(shè)備部,湖北 武漢 430083;2武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院,湖北 武漢 430081)

武鋼第三煉鋼廠鋼水接受跨14#450 t鑄造起重機是從西班牙引進的一臺重要設(shè)備,擔(dān)負300 t轉(zhuǎn)爐爐后鋼水的轉(zhuǎn)運任務(wù).1996年武鋼第三煉鋼廠投產(chǎn)時便開始投入使用,由于作業(yè)率較高,2004年發(fā)現(xiàn)橋架金屬結(jié)構(gòu)部分部位出現(xiàn)長度不等的裂紋,存在較大的安全隱患.本文從其結(jié)構(gòu)形式出發(fā),通過現(xiàn)場應(yīng)力測試與分析,探討裂紋產(chǎn)生的原因.

1450t鑄造起重機的結(jié)構(gòu)形式

該機整體結(jié)構(gòu)形式為四梁四軌式橋架,一個長條型圓柱齒輪減速器的主起升機構(gòu).主要由橋架、大車運行機構(gòu)、450 t主小車、副小車、電氣設(shè)備、附屬鋼結(jié)構(gòu)等部分組成(圖1).

圖1 450t鑄造起重機結(jié)構(gòu)圖

1)橋架 起重機橋架由2根主梁、2根副主梁和剛性端梁組成.主梁設(shè)計成寬翼緣偏軌箱形梁,截面高度為3600 mm,2塊腹板間距為2700 mm.主梁的2個端部為布置運行機構(gòu)驅(qū)動裝置的機械間,其余部分為布置電氣設(shè)備的電氣間,在人行通道2端設(shè)電氣間門密封,以防粉塵進入電氣間影響電氣元件的使用壽命.

2)大車運行機構(gòu) 該機運行機構(gòu)采用四角獨立驅(qū)動,驅(qū)動系統(tǒng)布置在主梁端部,其傳動形式為:電機通過齒輪聯(lián)軸器驅(qū)動1個雙低速軸的中硬齒面圓柱齒輪減速器,萬向聯(lián)軸器將減速器的2個低速軸與同一軌道上相鄰的2個車輪軸聯(lián)在一起,在電動機末端裝有制動器.

3)450 t主起升機構(gòu) 450 t主起升機構(gòu)由2臺600 kW的電動機驅(qū)動1個長條型圓柱齒輪減速器的高速軸,在該減速器的2個低速軸上通過卷筒聯(lián)軸器帶動2個雙聯(lián)卷筒.為保證2套驅(qū)動裝置同步運行,減速器2個低速級大齒輪間用惰輪連接.為了減小整機高度,增加小車架剛度,主起升機構(gòu)的減速器下箱體與主小車架焊為一體,卷筒在直徑方向上有800 mm沉到小車架上平面以下.

4)主小車架 為了減小整機高度,增加小車架剛性,主起升機構(gòu)減速器下箱體與小車架焊為一體.小車架為整體框架結(jié)構(gòu),除用螺栓連接的走臺外,主體結(jié)構(gòu)整體制造無連接頭.

5)主小車運行機構(gòu) 主小車運行機構(gòu)采用四角獨立驅(qū)動,由12個直徑為800 mm的車輪支撐,驅(qū)動輪比為1∶3.其傳動形式為:電機通過齒輪聯(lián)軸器驅(qū)動1個圓柱齒輪、中硬齒面減速器,全齒聯(lián)軸器把減速器的低速軸與車輪軸聯(lián)在一起.在電動機末端軸上裝有直徑為313 mm的制動器.其特點與大車運行機構(gòu)基本相同.

6)副小車 80 t副小車為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,由副小車運行機構(gòu)、副起升機構(gòu)和小車架組成.

7)起升機構(gòu) 采用調(diào)壓調(diào)速方案,運行機構(gòu)采用變頻調(diào)速方案,以改善起重機的使用性能.

2 現(xiàn)場測試

2.1 無損探傷

為了全面了解該起重機的損傷狀況,在現(xiàn)場檢測時對該起重機的橋架金屬結(jié)構(gòu)進行了無損探傷.通過對該鑄造起重機進行全面探傷,發(fā)現(xiàn)該起重機橋架金屬結(jié)構(gòu)存在30多處裂紋(圖2),嚴重威脅著該起重機的安全生產(chǎn).

圖2 14#450 t鑄造起重機裂紋分布圖

探傷結(jié)果表明,主梁中部下蓋板及主梁腹板與下蓋板的連接焊縫尚未發(fā)現(xiàn)裂紋.但兩端梁內(nèi)外側(cè)及主、端梁連接處的焊縫存在長度不等的裂紋,特別是端梁馬鞍形彎曲處,有些裂紋長達200多 mm,且已擴展到端梁腹板的母材上.

2.2 應(yīng)力測試

由于450 t鑄造起重機四梁四軌的結(jié)構(gòu)形式特點能有效地保證主梁的強度,因而該起重機主梁機構(gòu)故障率低,安全性能較好.然而為了保證輪壓的均衡,大車運行機構(gòu)四個角上的車輪均組裝在一個大平衡臂上,這樣做,雖然可以減少輪壓,但無形中增加了應(yīng)力集中的部位,端梁拐角處以及平衡臂支鉸處都成為潛在的危險部位,這在很大程度上降低了端梁金屬結(jié)構(gòu)的強度[1-4].

因此,整個測試工作之前,通過分析初步認為:這種結(jié)構(gòu)的起重機金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計,尤其是主梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計,是滿足靜力學(xué)需要的;但主梁跨中、端梁拐角處以及平衡臂支鉸處的應(yīng)力水平需要通過測試來了解.因此現(xiàn)場測試以上述三個部位作為應(yīng)力測試的關(guān)鍵測點.其中,主梁跨中上蓋板主要是彎曲受壓,因此采用單片進行測試;端梁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,待測部位主應(yīng)力方向未知,故采用三軸45°應(yīng)變花方式.貼片位置如圖3所示.

圖3 應(yīng)變片貼片位置

3 測試結(jié)果及分析

3.1 靜態(tài)應(yīng)力測試

為了驗證之前初步分析的該起重機關(guān)鍵部位的靜強度是合格的這一結(jié)論,對該起重機關(guān)鍵部位進行了靜態(tài)測試,靜態(tài)測試數(shù)據(jù)表明:主梁跨中最大應(yīng)力為40 MPa,端梁部位的最大等效應(yīng)力為 105 MPa,最大剪應(yīng)力為91 MPa,主梁材料Q345的許用拉應(yīng)力為259 MPa,許用剪應(yīng)力為149 MPa.因此,該鑄造起重機的靜強度是合格的.

3.2 動態(tài)應(yīng)力測試

由于靜力測試忽略了諸如慣性力等動力因素的影響,不能準確描述起重機的受力狀況.為得到更加全面、準確的應(yīng)力值,對該起重機進行了動態(tài)應(yīng)力測試.

典型工況下的動態(tài)應(yīng)力歷程信號見圖4～圖9(調(diào)零位置:主小車位于橋架南端).工況一,空載主小車從主梁端部開到跨中(圖4).工況二,吊車吊起450 t重物(圖5).工況三,滿載(450 t)主小車開至橋架北端(圖 6、圖7).工況四,滿載(450 t)主小車停在橋架北端不動,大車來回運行(圖8、圖9).

圖4 工況一動1#(單片)信號波形圖

圖5數(shù)據(jù)顯示,小車滿載時,跨中應(yīng)力值為40 MPa左右.從圖7可以看出,在小車運行過程中,端梁拐角處的應(yīng)力相對比較平穩(wěn),未出現(xiàn)較大波動,由此說明在起重機工作過程中,小車的位置對端梁拐角處應(yīng)力的影響并不大.

從圖8可以看出,在0-120 s期間,小車是不動的,然而在圖9的相同時間段內(nèi)曲線出現(xiàn)了異常波動,且波動范圍較大,應(yīng)力值達到了40 MPa.由于在此過程中僅大車在運行,因此可以斷定應(yīng)力波動是由于大車車輪與軌道發(fā)生啃軌產(chǎn)生側(cè)向力引起的.

從應(yīng)力波動大小可看出,側(cè)向力載荷在該鑄造起重機運行過程中是不可忽略的,它對起重機的正常運行及使用壽命有著重要的影響.

4 結(jié)論

本項目研究的四梁四軌結(jié)構(gòu)的鑄造起重機危險部位不同于其他結(jié)構(gòu)形式的起重機出現(xiàn)在主梁跨中部位,而主要是出現(xiàn)在端梁.該鑄造起重機端梁拐角處、平衡臺車連接板和主端梁連接處三大危險部位裂紋產(chǎn)生的主要原因是:大車運行過程中車輪啃軌產(chǎn)生水平側(cè)向力使這些部位的應(yīng)力及應(yīng)力波動過大而引起的疲勞損傷.在日常生產(chǎn)與維護中,要關(guān)注這些部位的工作狀況,以確保安全生產(chǎn).

[1]魏國前,羅會信.橋式起重機主梁端部受損原因分析與修復(fù)處理[J].建筑機械(上半月),2009(10):110-114.

[2]張質(zhì)文,虞和謙,王金諾,包起帆.起重機設(shè)計手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1998.

[3]趙少汴.單軸載荷下的無限壽命疲勞設(shè)計方法與設(shè)計數(shù)據(jù)[J].機械設(shè)計,1999(9):4-8.

[4]王錫山,趙少汴.機械強度與振動數(shù)據(jù)庫及強度評價系統(tǒng)[J].中國機械工程,1997(3):49-54.