如何保證橋式起重機(jī)主梁的合理拱度

吳 磊 上海鐵路局蚌埠皖鐵起重機(jī)械有限公司

橋式起重機(jī)是我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)生產(chǎn)車(chē)間，用以完成物料的空間轉(zhuǎn)移?，F(xiàn)在橋式起重機(jī)備已被列為特種設(shè)備，其安全性十分重要。主梁是橋式起重機(jī)的最重要受力構(gòu)件，直接承受工作載荷。由于主梁是一種彈性鋼結(jié)構(gòu)件，承受載荷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)向下?lián)锨冃?，增加了小?chē)運(yùn)行阻力，因此為了使用安全，橋式起重機(jī)制造完成后，主梁應(yīng)具有上拱度。GB14405-1993標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定橋式起重機(jī)主梁上拱度應(yīng)在0.9S/1000～1.4S/1000范圍之內(nèi)（S是跨度）。主梁上拱度過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)造成小車(chē)運(yùn)行爬坡和溜車(chē)現(xiàn)象，特別是主梁拱度過(guò)小，會(huì)造成主梁過(guò)早出現(xiàn)下?lián)?，縮短起重機(jī)的使用壽命。因此，生產(chǎn)企業(yè)必須保證主梁有正確的上拱度。

要使主梁有正確合理的上拱度，首先要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)上來(lái)保證主梁有足夠強(qiáng)度?，F(xiàn)在5～50t橋式起重機(jī)已為成熟產(chǎn)品，其圖紙已經(jīng)通用化。簽于此，本文只從主梁制造過(guò)程的各個(gè)階段，闡述如何保證橋式起重機(jī)具有合理的拱度。

1 正確計(jì)算腹板下料拱度

橋式起重機(jī)主梁一般為箱形結(jié)構(gòu)，上部焊縫數(shù)量多于下部，所以主梁焊接后易產(chǎn)生下?lián)?。由于主梁是長(zhǎng)而細(xì)的構(gòu)件，自重也會(huì)引起主梁下?lián)?，因此主梁腹板下料拱度不能僅按技術(shù)要求規(guī)定計(jì)算。腹板下料拱度的大小應(yīng)按主梁的結(jié)構(gòu)形式、制造工藝進(jìn)行理論計(jì)算或估算。

1.1 腹板下料拱度的理論計(jì)算法

（1）腹板下料拱度的理論計(jì)算

依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)件焊接變形原理，計(jì)算主梁焊接撓曲量，計(jì)算公式如下。

式中：

fg--GB14405-1993標(biāo)準(zhǔn)要求上拱值，fj=0.9S/1000～1.4S/1000，S 為跨度。

fh--焊接對(duì)主梁產(chǎn)生的撓曲量總和，等于焊接主梁肋板、角鋼、四道角焊縫以及焊接走臺(tái)、軌道壓板時(shí)主梁產(chǎn)生的撓曲值之和?？v向焊縫的撓曲量按公式-θZξK2L2/J計(jì)算，等距離橫向焊縫的撓曲量按公式-rK2(n+1)nZξdb/2J計(jì)算。以上公式中，Z為主梁截面形心到焊縫的距離，J為主梁截面慣性矩，θ為縱向焊縫工藝系數(shù)，K為焊腳尺寸，L為縱向焊縫長(zhǎng)度，ξ焊縫重疊系數(shù)，r為橫焊縫工藝參數(shù)，b為橫向焊縫長(zhǎng)度，d為橫焊縫間距，n為主梁一半跨度橫焊縫數(shù)量。

fz--自重引起的主梁下?lián)狭浚瑢?duì)于橋式起重機(jī)可按fz=-5qL4/384EJ計(jì)算，其中q為單位長(zhǎng)度重量，E為材料彈性模量，L為起重機(jī)跨度。

K--調(diào)整系數(shù)，對(duì)于通用橋式起重機(jī)正軌箱形梁，K值為5～15mm，偏軌箱形梁K值為5～10mm。

（2）計(jì)算焊接撓曲變形fh的注意事項(xiàng)

腹板下料拱度計(jì)算前，應(yīng)確定焊接工藝參數(shù)和∏形梁的拼裝方法，以保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性。另外，因?yàn)橹髁褐谱鞯牟煌A段，其截面形心坐標(biāo)和慣性矩會(huì)有所變化，因此需要按照主梁制作工序分步計(jì)算，先計(jì)算∏形梁焊接撓曲值，再計(jì)算箱形梁焊接撓曲值，最后算焊接走臺(tái)和軌道壓板撓曲值。腹板下料拱度計(jì)算完成后，要記錄每道工序結(jié)束后主梁應(yīng)有的拱度值，以便指導(dǎo)制造過(guò)程。

（3）計(jì)算實(shí)例

現(xiàn)以本公司制造的QD16t-25.5m雙梁橋式起重機(jī)為例，進(jìn)行腹板下料拱度的計(jì)算。該起重機(jī)主梁截面如圖1所示，自重5930 kg，有大肋板12塊，間距2000 mm，小肋板33塊，間距500 mm，兩側(cè)腹板上各焊接2根∠502×5角鋼。

圖1 主梁截面

①計(jì)算截面形心坐標(biāo)和慣性矩。根據(jù)主梁截面尺寸，以左側(cè)腹板左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，計(jì)算得到形心軸y軸和截面對(duì)y軸的慣性矩如下：

∏形梁形心軸y軸坐標(biāo)為86.1 cm，截面對(duì)y軸慣性矩形為477707 cm4。

箱形梁形心軸y軸坐標(biāo)為72.5 cm，截面對(duì)y軸慣性矩形為730020 cm4。

②計(jì)算腹板下料拱度。分別選用CO2氣體保護(hù)焊和手工電弧焊作為焊接設(shè)備，經(jīng)計(jì)算，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 腹板下料拱度計(jì)算表 單位：cm

③計(jì)算結(jié)果分析。從表1中數(shù)據(jù)得出，用CO2氣保焊機(jī)作為焊接設(shè)備，主梁腹板下料的拱度值約為60 mm，小于用手工電弧焊焊接，這是由手工電弧焊焊接變形大造成。另外，表中數(shù)據(jù)是假定沿主梁截面形心軸z軸對(duì)稱(chēng)的焊縫兩側(cè)同時(shí)施焊，以保證焊后兩腹板拱度一致；如兩側(cè)不能同時(shí)施焊，應(yīng)考慮兩次施焊對(duì)主梁撓曲量的影響，采取措施，防止焊后兩腹板拱度不一樣，致使主梁出現(xiàn)"塌肩"現(xiàn)象。

1.2 下料拱度的估算法

腹板下料拱度的理論計(jì)算考慮了制作過(guò)程中的多種因素，計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。在實(shí)際生產(chǎn)中，主梁腹板的下料拱度也可根據(jù)圖紙、工藝過(guò)程以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，估算主梁腹板下料拱度值。仍按QD16 t-25.5 m雙梁橋吊為例，腹板下料拱度按S/350比例估算，跨中拱度值約為73 mm。由于估算法主要根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，很難顧全制造過(guò)程中的各種因素，估算值沒(méi)有按理論計(jì)算準(zhǔn)確。企業(yè)可根據(jù)自身情況，綜合利用兩種方法，不斷修正拱度估算值的準(zhǔn)確性，提高工作效率。

2 選擇正確的上拱度曲線(xiàn)

橋式起重機(jī)主梁承載時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性下?lián)?，此時(shí)小車(chē)運(yùn)行情況如圖2所示。當(dāng)小車(chē)位于x處，由于主梁彈性下?lián)?，主梁和軌道在該處于傾角α，從而使小車(chē)在向支點(diǎn)方向運(yùn)行時(shí)產(chǎn)斜坡阻力。為了減少這種斜坡阻力，理想上拱度曲線(xiàn)應(yīng)使小車(chē)在任何位置時(shí)，實(shí)際傾角為0。如以跨中作為坐標(biāo)原點(diǎn)，理想拱度曲線(xiàn)為y=f中（1-4X2/L2）2。

雖然主梁腹板可按理想曲線(xiàn)下料，但由于焊接變形和自重引起下?lián)系挠绊?，?shí)際這種拱度曲線(xiàn)很難達(dá)到，實(shí)際使用的拱度曲線(xiàn)有二次拋物線(xiàn)、正弦曲線(xiàn)、三拆線(xiàn)和四次曲線(xiàn)幾種。采用三折線(xiàn)焊后接近梁端易出現(xiàn)最低點(diǎn)，二次拋物線(xiàn)焊后兩端坡度大，軌道與上蓋板有間隙，這兩種曲線(xiàn)對(duì)小車(chē)兩端運(yùn)行不利，一般不選用。對(duì)于橋式起重機(jī)偏軌箱形梁，焊接下?lián)献冃涡?，選用四次曲線(xiàn)y=f中（1-4X2/L2）2較為合適；對(duì)于正軌箱形梁，焊接下?lián)献冃瘟枯^大，主梁腹板下料最佳由線(xiàn)為四次曲線(xiàn)+二次拋物線(xiàn)即：y=1.3L/1000 （1-4X2/L2）2+（f中-1.3L/1000）（1-4X2/L2）。

圖2 主梁承載下?lián)锨€(xiàn)

3 改進(jìn)腹板下料工藝

腹板下料基本方法是拱度曲線(xiàn)直接號(hào)料法。在沿長(zhǎng)度排列的鋼板上畫(huà)出基準(zhǔn)線(xiàn)，找出跨中位置，由跨中向兩端標(biāo)出等分點(diǎn)，過(guò)各等分點(diǎn)作基準(zhǔn)線(xiàn)的垂線(xiàn)，按選定的拱度曲線(xiàn)算出各等分點(diǎn)對(duì)應(yīng)拱度值，標(biāo)在垂線(xiàn)上，連接各垂線(xiàn)上的標(biāo)點(diǎn)可得到近似的拱度曲線(xiàn)。等分點(diǎn)越多，連線(xiàn)就越接近拱度曲線(xiàn)。如批量生產(chǎn)，可制作拱度樣板來(lái)畫(huà)拱度曲線(xiàn)。

現(xiàn)在很多起重機(jī)制造企業(yè)都配備數(shù)控切割機(jī)，可用AutoLisp語(yǔ)言編程，生產(chǎn)腹板拱度曲線(xiàn)，導(dǎo)入FastCAM等數(shù)控編程軟件，生成腹板下料程序，在數(shù)控切割機(jī)工作臺(tái)上完成腹板的切割，可以得到準(zhǔn)確的拱度曲線(xiàn)，對(duì)于批量生產(chǎn)，質(zhì)量和效率均大為提高。

4 采用正確的焊接組裝方法

主梁的各個(gè)板件下料完成后，可進(jìn)行主梁的拼裝、焊接。箱形主梁通常由上蓋板、腹板和肋板焊接成 形梁，然后組裝下蓋板，最后焊四道角焊縫。

4.1 ∏形梁拼裝方法選擇

∏形梁在我普遍采用平臺(tái)組裝工藝，分為以蓋板為基準(zhǔn)組裝和以腹板為基準(zhǔn)組裝兩種。以蓋板為基準(zhǔn)組裝，采用上蓋板先與肋板組裝，再組裝腹板。如果主梁高度過(guò)大，組裝困難，可用以主腹板為基準(zhǔn)的組裝方法。組裝方法選擇主要根據(jù)主梁高度，但要考慮到，以腹板為基準(zhǔn)的組裝方法，肋板與蓋板不能在∏形梁組裝前焊接，組裝后焊接會(huì)增加主梁下?lián)献冃?，因此腹板下料拱度要比以上蓋板為基準(zhǔn)組裝的大些。

4.2 組裝箱形梁時(shí)的拱度調(diào)整

（1）箱形梁組裝方法。先用吊具將下蓋板放在平臺(tái)上，按圖樣畫(huà)出跨度中心線(xiàn)和大肋板的位置線(xiàn)和腹板定位線(xiàn)。如果∏形梁拱度值偏大，在下蓋板兩端大肋板處墊支承座，其他地方每隔1 m左右放置槽鋼，支承應(yīng)比槽鋼高。將∏形梁用吊具吊放在下蓋板上進(jìn)行裝配。注意跨中和跨端下蓋板上的腹板定位線(xiàn)應(yīng)與腹板重合，并使∏形梁跨度中心線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)蓋板跨度中心線(xiàn)。在跨中S/4左右上蓋板的大肋板處掛螺旋拉緊器加壓，使∏形梁產(chǎn)生下?lián)希缓蠛附?。拼裝方法如圖3所示。

圖3用加壓方法調(diào)整主梁上拱度

如果∏形梁拱度值偏小，應(yīng)在跨中S/4左右上蓋板的大肋板加支承座，在跨端兩側(cè)大肋板處用拉緊器加壓，使∏形梁產(chǎn)生上拱，然后焊接。拼裝方法如圖4所示。

圖4用上頂?shù)姆椒ㄕ{(diào)整主梁上拱度

∏形梁加壓或上頂后即可組裝焊接下蓋板。

（2）主梁壓頂量的計(jì)算

為了主梁焊接后有正確的拱度值，加壓或上頂?shù)墓岸茸兓繎?yīng)按式Ki(f∏-fX)計(jì)算。式中：Ki為彈塑性系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)數(shù)值 2～2.8；f∏為∏形梁實(shí)測(cè)拱度值；fX為箱形梁拱度值。上例中QD16-25.5m橋式起重機(jī)，用CO2氣保焊焊接，主梁組裝下蓋后拱度f(wàn)X應(yīng)為49.7 mm，∏形梁實(shí)測(cè)拱度值 f∏為 56mm，Ki取值為 2.4，則組裝時(shí)，∏形梁拱度值壓下量2.4×（56-49.7）=15 mm。

4.3 四條角焊縫施焊順序選擇

因?yàn)槭芾瓲顟B(tài)下的焊接變形小于受壓狀態(tài)，四條角焊縫焊接順序?qū)χ髁汗岸纫灿杏绊?。?duì)于主梁拱度偏小的應(yīng)先焊接下蓋板與腹板的焊縫，使上蓋板與腹板角焊縫在受拉狀態(tài)施焊，增加主梁拱度；如主梁拱度偏大，則應(yīng)先焊接上蓋板與腹板的角焊縫。

5 制定合理的存儲(chǔ)、吊運(yùn)、安裝方案

采用正確的制造工藝，橋架組裝后會(huì)有合理的拱度，但是橋式起重機(jī)不合理存放、吊運(yùn)、安裝，也將影響主梁拱度。由于起重機(jī)橋架系長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)件，彈性較大，不合理的存放、吊運(yùn)和安裝都會(huì)引起橋架變形。因此為了保證主梁有合理的拱度，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按橋式起重機(jī)的重心和受力情況，制定正確的存儲(chǔ)、吊運(yùn)、安裝方案。

總之，主梁拱度是橋式起重機(jī)重要的技術(shù)參數(shù)。正確合理的主梁拱度能減輕小車(chē)運(yùn)行阻力，保證橋式起重機(jī)的使用壽命。要保證起重機(jī)有正確合理拱度是完整性、系統(tǒng)性過(guò)程，需要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝以及運(yùn)輸、安裝多方面綜合考慮。腹板下料拱度值的計(jì)算和拱度曲線(xiàn)的選擇是保證主梁拱度最重要環(huán)節(jié)，在計(jì)算前就基本確定主梁的焊接參工藝數(shù)、焊接順序以及組裝方法，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得出主梁在各個(gè)階段應(yīng)有的拱度值，其值的準(zhǔn)確性直接影響整個(gè)主梁制造過(guò)程。另外，每個(gè)階段制造工藝對(duì)主梁拱度均有影響，要結(jié)合主梁各階段計(jì)算拱度，根據(jù)實(shí)際情況采用正確工藝，注重過(guò)程檢測(cè)，最終可得到合理的主梁拱度。