橋式起重機(jī)端梁下蓋板U型槽處裂紋分析與改進(jìn)

畢立群，馬敬勛，高海山

（山東鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250101）

經(jīng)驗(yàn)交流

橋式起重機(jī)端梁下蓋板U型槽處裂紋分析與改進(jìn)

畢立群，馬敬勛，高海山

（山東鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250101）

點(diǎn)檢發(fā)現(xiàn)橋式重機(jī)端梁下蓋板U型槽處裂紋，對(duì)U型槽處強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，指出橋式起重機(jī)端梁下蓋板U型槽處是端梁抗扭轉(zhuǎn)的薄弱環(huán)節(jié)。采取了局部加固和更換端梁方案，提出了起重機(jī)在使用、改進(jìn)及設(shè)計(jì)、制造時(shí)應(yīng)引起重視的建議。

橋式起重機(jī)；端梁；下蓋板；U型槽；裂紋

濟(jì)鋼某分廠在例行點(diǎn)檢時(shí)，多部橋式起重機(jī)發(fā)現(xiàn)隱藏在端梁下蓋板U型槽處的裂紋，這些起重機(jī)均為生產(chǎn)線使用，工作繁忙。如果U型槽處裂紋得不到及時(shí)處理或修復(fù)，將會(huì)導(dǎo)致安全事故。為及時(shí)排除隱患，保證生產(chǎn)的順行，對(duì)U型槽處裂紋進(jìn)行了計(jì)算分析，找出造成U型槽處裂紋的主要原因，采取相應(yīng)措施根除了U型槽處裂紋隱患。根據(jù)U型槽處裂紋的情況，可以初步判定為疲勞裂紋，疲勞裂紋與疲勞極限、工作循環(huán)次數(shù)有關(guān)，即與工作級(jí)別和裂紋處的強(qiáng)度有關(guān)。

1 起重機(jī)工作級(jí)別分析

起重機(jī)工作級(jí)別是起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是起重機(jī)勝任它需要完成工作任務(wù)的標(biāo)志。確定起重機(jī)工作級(jí)別時(shí)，需要考慮起重機(jī)利用等級(jí)和載荷狀態(tài)［1］。

1）利用等級(jí)。工作總循環(huán)數(shù)1.44×106，查得起重機(jī)的利用等級(jí)在U6、U7之間。

2）載荷狀態(tài)。起重機(jī)額定載荷為32 t，通常吊運(yùn)載荷為20 t左右，屬于經(jīng)常吊起超過(guò)50%額定載荷，載荷狀態(tài)為Q3—重。

3）工作級(jí)別。按照Q3—U6起重機(jī)工作級(jí)別為A7、Q3—U7起重機(jī)工作級(jí)別為A8參照，起重機(jī)工作級(jí)別應(yīng)不低于A7。原起重機(jī)工作級(jí)別為A6，工作級(jí)別偏低。

2 U型槽處裂紋受力分析

裂紋源自起重機(jī)端梁下蓋板U型槽外側(cè)拐角處，因此主要針對(duì)U型槽處進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)測(cè)量，起重機(jī)主梁是按照?qǐng)D紙要求設(shè)計(jì)制造，端梁腹板厚6mm，上下蓋板厚8mm，所用板材為負(fù)公差。

起重機(jī)端梁主要受力為：主梁和小車的垂直力，吊運(yùn)載荷的小車在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)小車車輪對(duì)端梁產(chǎn)生的水平慣性力，大車運(yùn)行偏斜引起的大車車輪側(cè)向水平力。主梁和小車的垂直力使端梁承受彎矩和剪力，彎矩受力最大點(diǎn)在主梁和端梁連接處；剪力在固定車輪軸承座的彎板處達(dá)到最大。端梁所受水平力使端梁產(chǎn)生水平彎矩和扭矩，水平彎矩最大處為主梁和端梁連接處。

經(jīng)計(jì)算，端梁垂直方向所受最大彎曲正應(yīng)力為49 MPa，U型槽處所受彎曲正應(yīng)力為21 MPa；端梁水平方向所受最大彎曲正應(yīng)力為17.2 MPa，U型槽處所受彎曲正應(yīng)力為7.3 MPa。許用應(yīng)力為156 MPa，可見(jiàn)端梁的彎曲強(qiáng)度足夠，顯然U型槽處裂紋不是彎曲應(yīng)力引起。

在起重機(jī)常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常不考慮端梁受扭轉(zhuǎn)情況，為分析U型槽處的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，下面就端梁所受扭矩情況進(jìn)行計(jì)算分析。

1）水平慣性載荷對(duì)端梁的水平作用力和力偶矩。吊運(yùn)載荷的小車在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，小車車輪作用于一根端梁上的水平慣性載荷Pxy為［1］：

式中Pd為作用在一根主梁上的小車主動(dòng)輪輪壓之和，按照實(shí)際吊運(yùn)載荷20 t計(jì)算，Pd＝66 845 N。

計(jì)算得：Pxy＝9 549.3 N。這一慣性載荷最終傳遞到大車車輪和軌道的接觸處，經(jīng)計(jì)算，大車車輪與軌道間的滑動(dòng)摩擦力遠(yuǎn)大于這一慣性載荷，因此，大車車輪與軌道不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，Pxy即大車車輪和大車軌道的接觸處對(duì)端梁的水平力。根據(jù)力的平移定理，Pxy可平移到端梁的扭轉(zhuǎn)中心軸上，并同時(shí)增加1個(gè)力偶矩，經(jīng)計(jì)算扭矩為Mg＝3 466 396 N·mm。

2）大車車輪側(cè)向載荷對(duì)端梁的水平作用力和力偶矩。起重機(jī)偏斜運(yùn)行時(shí)起重機(jī)水平側(cè)向力為［1］：

式中：∑P為起重機(jī)產(chǎn)生側(cè)向力一側(cè)的最大輪壓之和，按照實(shí)際吊運(yùn)載荷20 t計(jì)，∑P＝492 443 N；λ為側(cè)壓系數(shù)，與起重機(jī)跨度L和大車輪距B之比有關(guān)，查得λ＝0.16。

2012年5月—2014年10月，本院采用頂椎楔形截骨術(shù)治療重度僵硬型脊柱側(cè)后凸畸形患者23例，矯形效果良好，現(xiàn)報(bào)告如下。

計(jì)算得：PC＝39 395 N。同理可將PC平移到端梁的扭轉(zhuǎn)中心軸上，并同時(shí)增加一個(gè)力偶矩，經(jīng)計(jì)算扭矩為Mc＝14 303 672.5 N·mm。

3）端梁所受扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。端梁所受水平慣性載荷對(duì)端梁的水平作用力和力偶矩是由小車啟制動(dòng)產(chǎn)生的，大車車輪側(cè)向力對(duì)端梁的水平作用力和力偶矩是由大車偏斜運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的，二者一般不同時(shí)發(fā)生，因此，應(yīng)按照大的扭矩計(jì)算端梁所受扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。

端梁為箱型梁結(jié)構(gòu)，在大車車輪處下蓋板上開(kāi)有U型槽，因此，端梁截面分為閉口截面和開(kāi)口截面。閉口截面自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力沿壁厚均勻分布，沿截面中線形成封閉的剪力流，剪應(yīng)力為［1］：

式中：MT為作用在端梁上的扭矩，在此選擇較大的力偶矩MT＝Mc＝14 303 672.5 N·mm；Ω為箱型截面積579 744mm2；δ為截面上計(jì)算處的壁厚，在此按照最小壁厚選取6mm。

計(jì)算得：τb＝4.11 MPa，而閉口截面的扭轉(zhuǎn)疲勞極限應(yīng)力為154 MPa，可見(jiàn)閉口截面的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度足夠。

開(kāi)口截面自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力沿壁厚為線性分布，剪應(yīng)力為［1］：

計(jì)算得：τb＝159.6 MPa。該應(yīng)力是閉口截面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的38倍多。

計(jì)算得鋼結(jié)構(gòu)對(duì)稱循環(huán)扭轉(zhuǎn)的疲勞極限為102.75 MPa。端梁所受扭轉(zhuǎn)并非對(duì)稱扭轉(zhuǎn)，且不是橫幅脈動(dòng)，根據(jù)端梁U型槽處的實(shí)際情況，取裂紋處的有效應(yīng)力集中系數(shù)1.72，由于厚度較小，取尺寸系數(shù)1，表面較粗糙取表面加工系數(shù)0.7，可求得端梁U型槽處的疲勞極限應(yīng)力為83.6 MPa。端梁U型槽處的剪應(yīng)力159.6 MPa，高于疲勞極限應(yīng)力83.6 MPa，但小于材料的屈服極限，因此經(jīng)過(guò)幾年的使用出現(xiàn)了疲勞裂紋。上述計(jì)算分析表明，U型槽處的彎曲強(qiáng)度足夠，端梁閉口截面的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度足夠；U型槽處開(kāi)口截面扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力高于其疲勞極限應(yīng)力，U型槽處是端梁抗扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力薄弱環(huán)節(jié)。

3 改進(jìn)分析

3.1 局部加固

根據(jù)原端梁存在的薄弱環(huán)節(jié)，首先考慮的是對(duì)U型槽處的局部裂紋進(jìn)行修復(fù)，U型槽處開(kāi)口截面自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力沿壁厚為線性分布，由開(kāi)口截面的扭轉(zhuǎn)慣性矩計(jì)算公式可知增加鋼板厚度δi對(duì)提高扭轉(zhuǎn)慣性矩效果明顯。開(kāi)口截面的扭轉(zhuǎn)慣性矩是各個(gè)矩形窄條扭轉(zhuǎn)慣性矩共同組成，在原端梁蓋板和腹板上加焊鋼板，是局部加固的方法，如果再增加同樣厚度的蓋板和腹板，得到的扭轉(zhuǎn)慣性矩增加了一倍，即相當(dāng)于二倍的δi3。

由剪應(yīng)力計(jì)算公式知矩形窄條厚度越大，表面扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力相對(duì)越高，因此，增加U型槽處截面的局部厚度會(huì)增加截面的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τk，對(duì)提高U型槽處開(kāi)口截面的抗扭強(qiáng)度效果不佳。

理論計(jì)算表明，進(jìn)行局部加固后，其截面的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τk仍然高于疲勞極限應(yīng)力τU。由于端梁下蓋板位置特殊，在加固時(shí)必須將起重機(jī)整體調(diào)整到合理位置才能修復(fù)，局部修復(fù)費(fèi)用相對(duì)較高；又考慮到其工作級(jí)別偏低，需要提高端梁的工作級(jí)別，所以考慮對(duì)起重機(jī)端梁進(jìn)行整體更換。

3.2 更換端梁

扭轉(zhuǎn)慣性矩計(jì)算公式知，扭轉(zhuǎn)慣性矩和鋼板厚度δi是三次方關(guān)系，因此鋼板厚度起到的作用非常大。在原端梁蓋板和腹板上加焊鋼板，如同二倍δi3。整體更換對(duì)扭轉(zhuǎn)慣性矩的作用要大得多，因此整體更換端梁比局部加固，對(duì)提高U型槽處開(kāi)口截面的扭轉(zhuǎn)慣性矩效果要好得多。

根據(jù)原端梁存在的薄弱環(huán)節(jié)，又需要與原起重機(jī)主梁及其他尺寸相匹配，為此制訂了與主梁等相匹配的端梁改進(jìn)方案，改進(jìn)后端梁外形尺寸和安裝尺寸沒(méi)有改變，改進(jìn)后端梁上下蓋板厚度為12mm，腹板厚為10mm，彎板厚為16mm，端梁整體強(qiáng)度顯著提高，工作級(jí)別有所提高。對(duì)新端梁U型槽處開(kāi)口截面進(jìn)行理論計(jì)算，求得扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為τb＝110 MPa。按照要求將端梁下蓋板U型槽拐角處過(guò)度圓弧曲率半徑適當(dāng)放大，且將過(guò)渡圓弧處理光滑，可得端梁U型槽處的疲勞極限應(yīng)力為τU＝119 MPa。扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力小于疲勞極限應(yīng)力，可見(jiàn)改進(jìn)后端梁的強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1）局部制造質(zhì)量需要引起重視。起重機(jī)端梁裂紋源自下蓋板U型槽外側(cè)拐角處，該部位制造質(zhì)量存在明顯缺陷：過(guò)渡圓弧處是由氣割切割，鋸齒形割痕明顯，表面粗糙，因此不規(guī)則過(guò)渡圓弧處提供了大的集中應(yīng)力，表面粗糙提供了裂紋源，大應(yīng)力集中和裂紋源的存在使疲勞極限應(yīng)力降低，導(dǎo)致疲勞裂紋的發(fā)生。因此，局部制造質(zhì)量應(yīng)當(dāng)引起重視，在以后的制造中應(yīng)盡可能加大下蓋板U型槽處的過(guò)渡圓弧，并對(duì)該處修磨光滑，以提高其抗疲勞能力。

2）起重機(jī)偏斜運(yùn)行產(chǎn)生的水平側(cè)向力不可忽視。水平慣性載荷產(chǎn)生的扭矩為偏斜運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生扭矩的4倍多，因此起重機(jī)偏斜運(yùn)行產(chǎn)生的水平側(cè)向力不可忽視。車輪安裝固定是起重機(jī)是否偏斜運(yùn)行的重要因素之一，因此大車車輪正確安裝很重要，需要定期檢查起重機(jī)車輪的安裝固定情況，保證起重機(jī)不發(fā)生偏斜運(yùn)行。起重機(jī)大車軌道軌距如果超差將導(dǎo)致起重機(jī)嚴(yán)重啃軌，且起重機(jī)大車運(yùn)行時(shí)軌道對(duì)車輪的反作用力對(duì)起重機(jī)產(chǎn)生水平側(cè)向力，對(duì)起重機(jī)端梁產(chǎn)生的扭矩不可忽視，因此軌距也是起重機(jī)產(chǎn)生水平側(cè)向力的重要因素，需要定期測(cè)量和調(diào)整大車軌道，保證大車軌道軌距不超差。

3）對(duì)大跨度高工作級(jí)別的起重機(jī)有必要對(duì)U型槽處進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。U型槽處開(kāi)口截面的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力是閉口截面的38倍多，可見(jiàn)U型槽處截面的抗扭強(qiáng)度差，應(yīng)當(dāng)引起高度重視。計(jì)算結(jié)果顯示，偏斜運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的扭矩大，這個(gè)扭矩與起重機(jī)跨度和大車輪輪距之比有關(guān)，跨度越大產(chǎn)生的扭矩越大，因此大跨度起重機(jī)的端梁應(yīng)考慮抗扭強(qiáng)度是否滿足要求。U型槽處裂紋是典型的疲勞裂紋，疲勞裂紋與使用次數(shù)有關(guān)，工作級(jí)別低的起重機(jī)使用次數(shù)少。對(duì)跨度大、工作級(jí)別高的起重機(jī)端梁下蓋板盡可能設(shè)計(jì)成為不開(kāi)U型槽的；端梁下蓋板開(kāi)U型槽的起重機(jī)，如果跨度和大車輪輪距之比≥5、工作級(jí)別為A6及以上的起重機(jī)，建議對(duì)U型槽處進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算。

［1］張質(zhì)文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1997.

TH215

B

1004-4620（2014）04-0070-02

2014-05-22

畢立群，男，1969年生，1993年畢業(yè)于包頭鋼鐵學(xué)院冶金機(jī)械專業(yè)，2001年畢業(yè)于山東大學(xué)管理科學(xué)與工程專業(yè)，碩士?，F(xiàn)為山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司工程管理部工程師，從事施工現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理工作。