造船門(mén)式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)局部屈曲分析

巫波

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 無(wú)錫分院，江蘇 無(wú)錫 214174）

經(jīng)濟(jì)調(diào)查顯示，近年來(lái)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)收入水平持續(xù)增長(zhǎng)，以工業(yè)產(chǎn)業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)體系保持著良好的發(fā)展趨勢(shì)。造船業(yè)是工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)成之一，關(guān)系著國(guó)內(nèi)航海事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著機(jī)械化生產(chǎn)模式的推廣，各種機(jī)械設(shè)備在造船生產(chǎn)中的應(yīng)用不斷普及，起重機(jī)是其中最為常見(jiàn)的機(jī)械設(shè)備。為了提高造船門(mén)式起重機(jī)的作業(yè)效率，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)局部屈曲問(wèn)題深入分析處理是極為關(guān)鍵的。

1 金屬結(jié)構(gòu)局部屈曲的不利影響

造船門(mén)式起重機(jī)作為一種大型機(jī)械設(shè)備，由多種不同的金屬構(gòu)件組成。大到整塊的鋼板構(gòu)造，小至細(xì)小的螺栓螺帽，都是起重機(jī)設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)組成。目前，造船門(mén)式起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，是承載主梁與金屬支腳，利用小金屬構(gòu)件緊固配合使用。金屬結(jié)構(gòu)屈曲，是起重機(jī)最為常見(jiàn)的問(wèn)題，直接導(dǎo)致大小金屬構(gòu)件失去穩(wěn)定性，限制了起重機(jī)操控性能的正常發(fā)揮。從實(shí)際生產(chǎn)來(lái)看，局部屈曲的不利影響如圖1所示。

圖1 局部屈曲的影響因素

1.1 荷載失衡

由于造船產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)面臨的生產(chǎn)任務(wù)更加艱巨，門(mén)式起重機(jī)日常操作承受的荷載也越來(lái)越大。長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)作狀態(tài)，容易導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲現(xiàn)象，并引起一系列的異常問(wèn)題。如：局部屈曲造成金屬構(gòu)件變形，出現(xiàn)了不同程度的受損問(wèn)題，承擔(dān)的荷載會(huì)轉(zhuǎn)移到其他構(gòu)件中。原先處于穩(wěn)定狀態(tài)的構(gòu)件，會(huì)因?yàn)槭芰奢d迅速擴(kuò)大而失去平衡，減小了起重機(jī)吊起的重力荷載，阻礙了生產(chǎn)操作的順利性。

1.2 構(gòu)件受損

起重機(jī)在起吊貨物時(shí)，承載主梁及金屬支腳共同分配承擔(dān)了重量荷載，只有保證兩部分結(jié)構(gòu)的荷載分配均勻，才能順利起吊重物[1]。操作人員在吊裝貨物時(shí)，未合理調(diào)整起重機(jī)布置情況，造成重力荷載過(guò)于集中在某一點(diǎn)，如支腳、主梁。此種情況易產(chǎn)生局部屈曲現(xiàn)象，荷載超過(guò)構(gòu)件承受范圍，便會(huì)造成構(gòu)件損壞的問(wèn)題。

1.3 意外事故

金屬構(gòu)件是門(mén)式起重機(jī)的基本構(gòu)造，一旦其產(chǎn)生局部屈曲，便會(huì)帶來(lái)各種安全意外。以底座結(jié)構(gòu)為例，該部分是支撐整個(gè)起重機(jī)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)把吊裝貨物產(chǎn)生的荷載轉(zhuǎn)移到地面，維持設(shè)備生產(chǎn)的均衡性。若底座構(gòu)架形式屈曲，失去支撐結(jié)構(gòu)的起重機(jī)易坍塌、墜落，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)作業(yè)的安全性。

1.4 生產(chǎn)受限

金屬結(jié)構(gòu)局部屈曲，是一種構(gòu)件病害，限制了門(mén)式起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)操控的效率，阻礙了造船業(yè)生產(chǎn)效率的提升。側(cè)扭屈曲，是門(mén)式起重機(jī)較為多見(jiàn)的局部屈曲形式。該屈曲是由于承載主梁的橫向受力不均衡，主梁側(cè)面發(fā)生向左或向右的扭轉(zhuǎn)、偏移狀況，造成主梁中間的承載力減弱甚至喪失，一些重要的金屬結(jié)構(gòu)難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。機(jī)械一體化生產(chǎn)是多數(shù)企業(yè)的常用模式，局部屈曲引起起重機(jī)設(shè)備性能受損，必將降低吊裝生產(chǎn)的效率。

2 增強(qiáng)機(jī)械設(shè)備抗屈曲能力的措施

造船門(mén)式起重機(jī)已經(jīng)成為行業(yè)生產(chǎn)制作的必備機(jī)械，起重機(jī)結(jié)構(gòu)性能的強(qiáng)弱，對(duì)整條生產(chǎn)流水線的持續(xù)運(yùn)作，均有很大的影響。鑒于局部屈曲對(duì)金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞作用，企業(yè)必須針對(duì)局部屈曲發(fā)生的因素，制定針對(duì)性的處理方案，營(yíng)造更加優(yōu)越的造船生產(chǎn)環(huán)境。

增強(qiáng)起重機(jī)抗屈曲能力，需從荷載性能、抗震性能、支護(hù)性能等方面采取措施。

2.1 荷載性能

為了避免局部屈曲對(duì)門(mén)式起重機(jī)產(chǎn)生的不利作用，早期技術(shù)人員設(shè)計(jì)了相關(guān)的加固支撐結(jié)構(gòu)，利用組合構(gòu)件對(duì)屈曲現(xiàn)象進(jìn)行處理。由于加固構(gòu)件的抗拉性能不足，金屬結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)荷載的性能未能全面發(fā)揮[2]。技術(shù)人員可選擇有效的加固結(jié)構(gòu)，如安裝高性能金屬構(gòu)件，輔助機(jī)械運(yùn)行，對(duì)生產(chǎn)操作中產(chǎn)生的巨大荷載進(jìn)行有效的分擔(dān)，增強(qiáng)了金屬結(jié)構(gòu)的抗屈曲性能。

2.2 抗震性能

震動(dòng)對(duì)起重機(jī)設(shè)備性能有很大的影響，無(wú)論是自然災(zāi)害震動(dòng)或者設(shè)備底座震動(dòng)，均破壞了起重機(jī)正常的操作秩序?？紤]到保證基層結(jié)構(gòu)的牢固性，為底座設(shè)置有效的輔助結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)其抗震性能。為了保證底座結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，比較常見(jiàn)的方法是，技術(shù)人員用緊固螺栓打孔加固，將底座與地面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完全連接，利用地面承載能力，減弱震動(dòng)對(duì)機(jī)械造成的沖擊力。

2.3 支護(hù)性能

造船門(mén)式起重機(jī)是一項(xiàng)多功能的機(jī)械設(shè)備，其內(nèi)、外部的結(jié)構(gòu)組成形式復(fù)雜多樣，每一個(gè)金屬構(gòu)件，都關(guān)系著設(shè)備起重性能的發(fā)揮。局部屈曲現(xiàn)象，是金屬結(jié)構(gòu)集中受力的表現(xiàn)，由于承擔(dān)載荷過(guò)大，而易產(chǎn)生不同程度的受損。增強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)的支護(hù)性能，可改善起重機(jī)抗受損的能力，面對(duì)集中受力情況，可減輕結(jié)構(gòu)受損的程度。

3.4 操控性能

起重機(jī)屬于大型機(jī)械設(shè)備，復(fù)雜的機(jī)械構(gòu)造往往會(huì)影響到設(shè)備的操控性能。為了避免這一問(wèn)題，造船門(mén)式起重機(jī)應(yīng)通過(guò)技術(shù)改造，不斷改善其可操控性能[3]。例如：技術(shù)改造，利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)調(diào)控起重機(jī)，降低人工操作的難度；結(jié)構(gòu)改造，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的構(gòu)件組合優(yōu)化改進(jìn)，提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率。

3 起重機(jī)結(jié)構(gòu)安裝的注意事項(xiàng)

造船門(mén)式起重機(jī)在安裝時(shí)，要注意壓桿失穩(wěn)造成的不利影響，其易造成不同程度的局部屈曲現(xiàn)象，破壞了起重機(jī)金屬構(gòu)件的穩(wěn)定性。因此，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員在安裝金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，必須遵循操作規(guī)范，對(duì)金屬構(gòu)件可能出現(xiàn)的異常受力問(wèn)題及時(shí)處理。

起重機(jī)結(jié)構(gòu)安裝需要注意的問(wèn)題包括：

3.1 確保裝置有效地工作

每隔一段時(shí)間，要去撥動(dòng)一下力矩限制器限位開(kāi)關(guān)的觸頭，看其是否還會(huì)報(bào)警。如果沒(méi)有反應(yīng)，就要先查力矩限制器的傳感電路，一定要找出原因并處理好后，才能繼續(xù)操作。有些工地把造船門(mén)式起重機(jī)當(dāng)大塔用，故意把力矩限制器的電路撤掉，這屬于嚴(yán)重的違規(guī)操作行為。

3.2 保護(hù)桿件不要有初彎曲

造船門(mén)式起重機(jī)在轉(zhuǎn)移搬運(yùn)的過(guò)程中，要特別注意防止碰彎桿件[4]。因?yàn)橛谐鯊澢臈U件，其承載能力低于直桿，也就是說(shuō)，實(shí)際上彎桿已經(jīng)失穩(wěn)，再承受過(guò)大載荷，只會(huì)加大彎曲撓度，提早出現(xiàn)壞損。如能發(fā)現(xiàn)彎曲，一定要先補(bǔ)強(qiáng)才能繼續(xù)使用。

3.3 正確執(zhí)行安裝程序

嚴(yán)格按使用說(shuō)明書(shū)指定的安裝順序，進(jìn)行安裝和拆卸。在塔式起重機(jī)使用說(shuō)明書(shū)中，為了防止不平衡力矩過(guò)大，在安裝平衡臂和起重臂時(shí)，明確規(guī)定先安裝平衡臂，加1～2塊平衡重后，再安裝起重臂，最后才裝上全部平衡重。

3.4 重視斜拉側(cè)拉的危險(xiǎn)性

要嚴(yán)禁斜拉、側(cè)拉起吊重物，特別是大幅度起吊時(shí)更要注意。因?yàn)樾崩?、?cè)拉起吊，除了起重力矩外，臂架還要受到一個(gè)水平橫向力矩[5]。這個(gè)力矩會(huì)使臂架根部下主弦桿產(chǎn)生一個(gè)較大的壓力，大幅度起吊時(shí)，起重力矩也使下主弦產(chǎn)生壓力，這兩個(gè)壓力疊加，很可能使臂架下主弦桿失穩(wěn)屈曲，導(dǎo)致側(cè)向折臂，進(jìn)而前后失去平衡而倒塔。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著起重機(jī)械設(shè)備在造船生產(chǎn)中的普及應(yīng)用，操作人員不僅要掌握熟練的操控技術(shù)，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)局部屈曲現(xiàn)象也要采取措施處理。屈曲約束支撐，是處理局部屈曲問(wèn)題的有效措施，起重機(jī)操作人員應(yīng)詳細(xì)地了解此種方案的加固流程，合理選用高性能金屬構(gòu)件加固處理。

[1]王曉亮.造船業(yè)門(mén)式起重機(jī)設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定性分析[J].造船機(jī)械，2010，32（10）：67-68.

[2]楊文靜.有關(guān)門(mén)式起重機(jī)受力和使用性能的分析[J].中國(guó)機(jī)械裝備，2010，40（20）：19-20.

[3]曹美萍.小型門(mén)式起重機(jī)靜力學(xué)及模態(tài)分析數(shù)值模擬的研究[J].礦山機(jī)械，2011，14（3）：8-11.

[4]盧丹雨.工程結(jié)構(gòu)整體屈曲的臨界荷載分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，26（10）：6-8.

[5]潘玉霞.造船門(mén)式起重機(jī)構(gòu)件屈曲的成因及處理[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，17（4）：32-34.