100 t 橋 式 起 重 機(jī) 金 屬 結(jié) 構(gòu) 安 全 性 評(píng) 價(jià)

孫遠(yuǎn)韜 張 氫 陸海毅 楊愛民

1 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 2 科尼起重機(jī)設(shè)備(上海)有限公司

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100 t 橋 式 起 重 機(jī) 金 屬 結(jié) 構(gòu) 安 全 性 評(píng) 價(jià)

孫遠(yuǎn)韜1張 氫1陸海毅2楊愛民2

1 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 2 科尼起重機(jī)設(shè)備(上海)有限公司

針對(duì)長(zhǎng)期處于高溫、高濕度、強(qiáng)腐蝕工作環(huán)境下的100 t重載行車的安全性問題，通過測(cè)量板厚、實(shí)際應(yīng)力及剛度測(cè)試，并與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析整機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)安全性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境提出了整改方法，從而緩解結(jié)構(gòu)的劣化過程，保障惡劣條件下大型設(shè)備安全。

臨界轉(zhuǎn)速； 螺旋卸船機(jī)； 散貨； 磨損； 密封

1 引言

由科尼公司設(shè)計(jì)的最大起重量為100 t的橋式起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱行車)安裝于APP集團(tuán)海南抄漿車間內(nèi)。在使用過程中，該行車突發(fā)性故障較多，行車的護(hù)欄、主梁、拖掛電纜等鋼結(jié)構(gòu)部分銹蝕較為嚴(yán)重，由于故障所導(dǎo)致的停機(jī)影響了客戶整個(gè)紙業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度。為了評(píng)估該行車現(xiàn)有狀態(tài)，以合理的對(duì)其機(jī)械或結(jié)構(gòu)部分提出一些計(jì)劃性的改造，項(xiàng)目針對(duì)該行車的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)檢測(cè)、分析與安全性評(píng)價(jià)。

該行車起升高度21.4 m，工作級(jí)別M4，有2根箱型主梁，按其方位命名為西梁和東梁，跨度36 400 mm，重量70 t，8個(gè)大車輪其中4個(gè)車輪是驅(qū)動(dòng)輪。主梁上分布3臺(tái)小車分別為100 t/50 t/10 t，并聯(lián)結(jié)一根吊梁供電系統(tǒng)，采用四級(jí)滑觸線及托臂式碳刷，全部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為變頻形式。

測(cè)試車間內(nèi)造紙機(jī)器設(shè)備在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量熱量和腐蝕性水汽，行車位于車間上部空間，實(shí)際測(cè)試環(huán)境溫度達(dá)到60 ℃，濕度100%，具有高溫、高濕的特點(diǎn)，所以本測(cè)試方案采用DH3819無線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，保證測(cè)試過程人員安全與測(cè)試順利進(jìn)行。

2 行車主梁板厚測(cè)試

由于行車長(zhǎng)期處于高溫、高濕環(huán)境中，行車主梁金屬結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生了一定程度的銹蝕，需對(duì)主梁的上翼緣板和下翼緣板布置測(cè)點(diǎn)，打磨表面油漆和銹蝕層后，測(cè)量其實(shí)際板厚。主梁板厚測(cè)試時(shí)按照?qǐng)D1布置測(cè)點(diǎn)，在西梁上翼緣板沿主梁長(zhǎng)度方向共布置測(cè)點(diǎn)12處(測(cè)點(diǎn)1 ～ 12)，在東梁上翼緣板沿主梁長(zhǎng)度方向共布置測(cè)點(diǎn)14處(測(cè)點(diǎn)13 ～ 26)，在東梁下翼緣板沿主梁長(zhǎng)度方向共布置測(cè)點(diǎn)1處(測(cè)點(diǎn)27)。測(cè)試前先對(duì)各測(cè)點(diǎn)位置用打磨工具將測(cè)點(diǎn)金屬表面油漆、銹跡等打磨掉，使其表面光亮且平整。

主梁板厚測(cè)試使用超聲波測(cè)厚儀。測(cè)量板厚之前，根據(jù)《材料聲速表》設(shè)置測(cè)量材料鋼所對(duì)應(yīng)的聲速，在測(cè)點(diǎn)表面涂抹一滴耦合劑，用探頭精密貼在測(cè)試點(diǎn)表面。對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)多次測(cè)到的板厚值取平均值，作為該測(cè)點(diǎn)的板厚最終測(cè)試結(jié)果，各個(gè)測(cè)點(diǎn)板厚測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

圖1 行車主梁板厚測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

西梁上翼緣板測(cè)點(diǎn)板厚/mm測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)2測(cè)點(diǎn)3測(cè)點(diǎn)4測(cè)點(diǎn)5測(cè)點(diǎn)6測(cè)點(diǎn)720．0518．8618．3819．7619．7819．8220．00測(cè)點(diǎn)8測(cè)點(diǎn)9測(cè)點(diǎn)10測(cè)點(diǎn)11測(cè)點(diǎn)1219．7920．0519．8620．0220．02東梁上翼緣板測(cè)點(diǎn)板厚/mm測(cè)點(diǎn)13測(cè)點(diǎn)14測(cè)點(diǎn)15測(cè)點(diǎn)16測(cè)點(diǎn)17測(cè)點(diǎn)18測(cè)點(diǎn)1919．0519．5320．1820．2419．9020．0920．06測(cè)點(diǎn)20測(cè)點(diǎn)21測(cè)點(diǎn)22測(cè)點(diǎn)23測(cè)點(diǎn)24測(cè)點(diǎn)25測(cè)點(diǎn)2619．8519．6619．6919．5819．3819．4819．84東梁下翼緣板測(cè)點(diǎn)板厚/mm測(cè)點(diǎn)2719．77

行車主梁的上、下翼緣板設(shè)計(jì)板厚均為20 mm，由表1可以看出，其中一些測(cè)點(diǎn)測(cè)得板厚數(shù)據(jù)已經(jīng)小于19 mm，這說明該行車主梁上、下翼緣板表面的這些測(cè)點(diǎn)處已經(jīng)有輕微程度腐蝕。

3 行車主梁靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試

為明確行車主梁在不同吊重載荷下的受力狀態(tài)，需對(duì)行車在額定起重量?jī)?nèi)進(jìn)行加載，吊裝不同重量的量塊，待加載穩(wěn)定后，測(cè)試行車主梁上翼緣板和下翼緣板靜態(tài)應(yīng)力并記錄下各載荷工況下的靜態(tài)應(yīng)力值。

根據(jù)主梁受力特點(diǎn)，在行車雙主梁的西梁和東梁(有走道欄桿側(cè))的上、下翼緣板共布置了7處測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

將最大起重量為100 t的小車1移動(dòng)至主梁1/2跨中位置，從空載開始，首先裝載總重量為25 t量塊到承載支架上，將承載支架掛載到小車1吊鉤上，操作吊鉤起升至吊重離開地面，保持5 ～ 6 min后操作吊鉤下降至地面。然后按照上述流程分別加載50 t、75 t、100 t的量塊，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄全過程的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)值。

圖3為加載實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)力時(shí)間歷程，整個(gè)加載實(shí)驗(yàn)時(shí)間持續(xù)將近10 000 s。可以看到當(dāng)加載量塊之前，測(cè)點(diǎn)1應(yīng)力值被調(diào)零。分別加載25 t、50 t、75 t、100 t，圖3中對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了4次較大的應(yīng)力變化，應(yīng)力值為負(fù)，說明該點(diǎn)受到的為壓應(yīng)力。加載初期和卸載時(shí)，由于載荷變化較大，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值也波動(dòng)較大。待加載穩(wěn)定后，保持一段時(shí)間，此段時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力值趨于穩(wěn)定。

圖3 測(cè)點(diǎn)1加載時(shí)應(yīng)力時(shí)間歷程

各個(gè)工況下加載后，起升機(jī)構(gòu)不再動(dòng)作、吊鉤和量塊不再晃動(dòng)時(shí)主梁只受到起重物的靜載荷，此段時(shí)間內(nèi)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值趨于平穩(wěn)，取各測(cè)點(diǎn)在平穩(wěn)時(shí)間段內(nèi)采集到的應(yīng)力值的平均值作為該工況該測(cè)點(diǎn)的靜態(tài)應(yīng)力值，各個(gè)工況下各測(cè)點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 各工況各測(cè)點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力值/MPa

為進(jìn)一步將實(shí)測(cè)結(jié)果與理論結(jié)果作對(duì)比，在ANSYS有限元分析軟件里用梁?jiǎn)卧⒅髁河邢拊Ｐ?。圖4為100 t加載時(shí)主梁應(yīng)力云圖。有限元分析結(jié)果顯示主梁，上翼緣板所受應(yīng)力最大值為-75.98 MPa，在主梁1/2跨度處；下翼緣板所受最大應(yīng)力值為76.79 MPa。

圖4 100 t加載時(shí)主梁應(yīng)力云圖

由表2實(shí)測(cè)結(jié)果可知，在加載100 t時(shí)，測(cè)點(diǎn)6(東梁1/2處下翼緣板東側(cè)邊緣)應(yīng)力值為75.75 MPa，與有限元分析計(jì)算的應(yīng)力值76.79 MPa較為

接近。測(cè)點(diǎn)3(西梁1/2處上翼緣板居中)應(yīng)力為-53.73 MPa，測(cè)點(diǎn)4(東梁1/2處上翼緣板居中)應(yīng)力為-55.55 MPa，與有限元計(jì)算的應(yīng)力值-75.98 MPa有一定差別。分析其原因，翼緣板上裝有軌道，對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性有一定的增強(qiáng)作用。

為明確加載前由于主梁自重、小車自重、吊具自重導(dǎo)致主梁變形產(chǎn)生的應(yīng)力，在有限元中模型中對(duì)主梁?jiǎn)为?dú)加載這些載荷并求解，上翼緣板最大應(yīng)力為-24.75 MPa，下翼緣板25.02 MPa。

行車主梁鋼結(jié)構(gòu)為Q345鋼，根據(jù)GB/T 3811-2008 《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，按照1類工況取強(qiáng)度安全系數(shù)1.5，可得許用應(yīng)力為230 MPa。從表2中可知，各個(gè)測(cè)點(diǎn)各加載工況下的應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值，并參考有限元計(jì)算的梁自重、小車自重、吊具自重等綜合作用產(chǎn)生的加載前預(yù)應(yīng)力值，主梁實(shí)際應(yīng)力值與許用應(yīng)力值相差較大，說明主梁在強(qiáng)度上有較大的余量。

4 下?lián)隙葴y(cè)試

為了檢測(cè)在重載下主梁剛度，項(xiàng)目還進(jìn)行了下?lián)隙葴y(cè)試，在主梁底部中間位置安放好多棱鏡，以便觀察下?lián)隙茸兓?。零載荷時(shí)，記錄多棱鏡的水平高度(以全站儀中心為基點(diǎn))，分別加載25 t、50 t、75 t、100 t。加載25 t時(shí)，應(yīng)力和下?lián)隙确嫌邢拊?jì)算值，于是逐漸測(cè)量加載至100 t，應(yīng)力和下擾度均符合有限元計(jì)算值，其中加載至100 t時(shí)為33.7 mm。

5 結(jié)語

通過在應(yīng)力和下?lián)隙缺O(jiān)測(cè)下的100 t載荷試驗(yàn)，說明主梁的強(qiáng)度和剛度目前都滿足100 t載荷的需求；100 t小車經(jīng)過載荷測(cè)試，強(qiáng)度目前也是滿足100 t載荷需求的。因此行車主梁可以用來完成以后近

5年以內(nèi)進(jìn)行的大修，條件是必須在主梁鋼結(jié)構(gòu)沒有進(jìn)一步腐蝕及行車大修的情況下，行車主梁沒有大的變化。

因此提出以下2點(diǎn)建議：

(1)整車吊出車間進(jìn)行重新除銹、噴砂、油漆。

(2)在車間的東側(cè)將墻壁打通，把大車軌道向東延長(zhǎng)到車間外(需要在軌道梁下方加立柱支撐)，在車間東側(cè)墻壁外面建立一個(gè)停車棚，停車棚和車間支架用活動(dòng)門隔離，行車平時(shí)就停在停車棚里面，避免酸氣腐蝕，也便于維護(hù)保養(yǎng)。需要時(shí)打開活動(dòng)門，把行車開進(jìn)車間。

The Safety Evaluation for Metal Structure of 100t Bridge Crane

Sun Yuantao1Zhang Qing1Lu Haiyi2Yang Aimin2

1 School of Mechanical and Energy Engineering, Tongji University 2 Konecranes (Shanghai) Co. Ltd.

According to the security problem of 100t bridge crane which is staying in the high temperature, high humidity and strong corrosionworking environment for a long period of time, the metal structure security of whole machine is analysed. It measures the plate thickness, actual stress and stiffness, and the results are compared with the finite element results. Combined with the field environment, it proposes rectification method to alleviate the deterioration process of the structure and ensures the safety of large equipment under adverse conditions.

critical speed; screw ship unloader; bulk cargo; wear; seal

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51205292) 國(guó)家科技支撐項(xiàng)目資助(2014BAF08B05， 2015-BAF06B00)