冶金起重機主梁艙門裂紋分析

劉 毅

（福建省特種設備檢驗研究院，福建 福州 350008）

冶金起重機主梁艙門裂紋分析

劉 毅

（福建省特種設備檢驗研究院，福建 福州 350008）

文中就某鋼鐵廠內(nèi)一臺冶金橋式起重機主梁腹板艙門拐角發(fā)生裂紋，運用應力測試、有限元分析等技術手段，分析其產(chǎn)生的原因，并提出相應的修復方案，為起重機設計提供參考。

冶金起重機；艙門；應力測試；有限元分析

1 引言

冶金起重機往往處于高溫粉塵環(huán)境，為了更有效地保護電氣元件和節(jié)省空間，冶金起重機普遍采用箱型梁的結構形式，并將電氣室設置在主梁內(nèi)部[1]。因此，為了方便使用，需要在冶金起重機主梁腹板上開一個艙門，但該艙門對主梁結構的安全影響，往往在設計過程中，并沒有引起足夠的重視。2014年12月寧德市某鋼鐵廠一臺冶金橋式起重機主梁腹板兩側艙門拐角處均發(fā)生了裂紋，并導致了母材開裂，裂紋長度達到了300mm，如圖1所示。

針對這一問題，文中利用應力測試和有限元分析等方法進行深入研究，分析裂紋產(chǎn)生的原因，以便于制定修復方案，排除安全隱患。

圖1 冶金起重機艙門拐角出現(xiàn)裂紋

2 應力測試

對該臺設備進一步檢查，該設備起重量限制器完整有效，鋼絲繩、制動器等部件也沒有發(fā)現(xiàn)超載使用的跡象。從使用情況看，該冶金起重機主要用于吊運鋼水包，載重量基本一致，基本可以排除超載使用導致起重機開裂的可能。為進一步校驗該該冶金起重機的強度，筆者通過應力測試的方法，對該起重機的主要工作狀況進行檢驗。

為準確的測定艙門周邊的應力狀況，在艙門產(chǎn)生裂紋的部位布置一定數(shù)量的應變花，如圖2所示。分別測定額定載荷位于跨中和艙門上方位置時，各應變花處的應力值。通過應變花的應力合成公式，在這兩種工況下，應變花的最大應力值為-54.23MP。該冶金起重機主梁結構采用Q235B鋼材。可見，應變花處的應力值明顯小于母材的許用應力值，冶金起重機的主梁設計有足夠的安全余量。由于拐角的存在，該位置的應力梯度較大。但由于應力測試條件和工藝限制，應變花的布置位置與艙門的拐角有一定的偏差，應力測試結果值無法完全反應艙門拐角處的應力值。

圖2 應力測試應變花布置示意圖

3 有限元分析

傳統(tǒng)的設計計算公式只限于跨中和跨端等截面的傳統(tǒng)危險點，對既不在跨中，也不在跨端的艙門拐角處，還沒有任何成熟的應力計算公式[2]。為進一步確認艙門拐角處應力值，筆者采用有限元分析的方法進行進一步分析。

在ANSYS有限元分析軟件中，按照該冶金起重機制造圖紙建立起該起重機結構的三維有限元模型，模擬起重機主要受力工況，起重機主梁跨中承受額定載荷時，艙門受力分析如圖3所示。從圖中可見，主梁主要受力部分應力值與應力測試值較為接近，但該艙門拐角處應力最大，且應力梯度較大，存在明顯應力集中。該起重機艙門拐角最大應力達到165MPa，冶金起重機在工作過程中，頻繁起吊鋼水包，在啟動和制動時起重機均作衰減震動，若考慮起重機工作時的動載荷，則該處的應力值已經(jīng)很接近許用應力值。起重機主梁長期受到交變應力作用，達到金屬材料的屈服極限，從而導致焊縫和金屬母材均發(fā)生裂紋。

圖3 有限元分析應力云圖

4 設計分析

以上分析表明，艙門拐角的應力集中是引起該位置產(chǎn)生裂紋的主要原因。從艙門的設計看，艙門的開門寬度B、開門高度H、過度圓弧半徑R及四周是否加厚和鑲邊等多個因素對艙門四周圓角處的應力集中都有不同程度影響。通常是過度圓弧半徑R越大越好，開門寬度B及開門高度H越小越好。從制造單位提供的設計圖紙（如圖4所示）可以看出，該起重機艙門尺寸開門寬度B為800mm，開門高度H=1800mm，其中過度圓弧半徑R=20mm。從尺寸看，該起重機艙門開門寬度B和開門高度H都很大，但過度圓弧半徑R卻只有20mm,相對于開門寬度和開門高度尺寸而言，艙門幾乎沒有圓弧過度。這與常見的起重機艙門采用的橢圓結構，且艙門尺寸都做的較小的做法是不相符的?？梢姡撻T的尺寸設計是該起重機發(fā)生裂紋的主要原因。

圖4 艙門設計

5 缺陷修復

通過上述分析，艙門尺寸設計的不合理導致應力集中，是該起重機發(fā)生裂紋的主要原因。根據(jù)以上分析，制造廠商提出了對應的修復方案：

首先，用電鉆在開裂處前端鉆止裂孔，使裂紋不在進行擴展。接著,在開裂處用碳刨等加工方法，磨出板厚的二分之一的一條倒三角口形狀，重新滿焊并磨平，并在主梁內(nèi)外兩側加補強板（如圖5）。最后,補強板焊接后進行振動、時效處理或火焰加熱釋放應力，以免再有應力集中的情況出現(xiàn)。

圖5 艙門補強板結構示意圖

用ANSYS對補強后的起重機重新建模，模擬其作業(yè)工況。從圖6可以看出，在主梁跨中承受額定載荷時，艙門拐角處的應力值為120MPa，已經(jīng)明顯減小。

圖6 加強后艙門有限元分析圖

6 結束語

目前，起重機設計規(guī)范和相關的設計手冊對起重機艙門設計問題未作明確的指導。文中從一臺冶金起重機艙門的裂紋缺陷出發(fā)，應用應力測試、有限元分析等技術手段，分析其產(chǎn)生的原因，并制定相關的補強方案，為起重機艙門的設計提供了參考。

[1]于衛(wèi)紅,劉超杰,牛艷青.冶金起重機偏軌箱型梁副腹板開門處應力集中的研究[J].中華民居，2012（12）：133.

[2]徐才發(fā)，等.起重機主梁艙門處開裂的故障分析[J].起重運輸機械,2000（9）：32-35.

Analysis on Crack of metallurgical crane Compartment Doors

LIU Yi
( Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute, Fuzhou, 350008, Fujian, China )

The crack of one metallurgical crane compartment doors in the steel factory is analyzed, by the technology of stress testing and fi nite element analysis. The repair plan is presented and the basis effective countermeasure is proposed.

Metallurgical crane; Compartment doors; Stress testing; Finite element analysis

2017-04-13

劉毅，男，福建省特種設備檢驗研究院機電設備檢驗中心，副主任，工程師