冶金橋式起重機主梁裂紋機理分析

孫祥廣 陳 勇 王興濤 賈春明 曲鴻日

(1.撫順市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所 撫順 113006)

(2.中航黎明錦西機械(集團)有限責(zé)任公司 葫蘆島 125000)

(3.撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司 撫順 113000)

冶金橋式起重機主梁裂紋機理分析

孫祥廣1陳 勇1王興濤1賈春明2曲鴻日3

(1.撫順市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所 撫順 113006)

(2.中航黎明錦西機械(集團)有限責(zé)任公司 葫蘆島 125000)

(3.撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司 撫順 113000)

針對冶金橋式起重機腹板靠近端部過渡圓弧處產(chǎn)生的裂紋情況，用傳統(tǒng)力學(xué)分析的同時也采用ANSYS有限元軟件建模分析了裂紋產(chǎn)生機理，討論了主梁上蓋板開設(shè)檢修艙口對主梁受力情況的影響，提出了補焊措施方案和加強安全技術(shù)檢驗建議，對起重機械的設(shè)計和檢驗具有借鑒意義。

主梁過渡圓弧 腹板裂紋 補焊 ANSYS建模分析

撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司煉鋼廠兌鐵跨1#冶金橋式起重機用于吊運鋼水包,其工作環(huán)境的主要特點是高溫、粉塵、工作頻繁、工作載荷較大(鋼水包整備質(zhì)量85～95t)。在2014年的定期檢驗中發(fā)現(xiàn)該起重機主梁外側(cè)腹板與端梁連接過渡圓弧處出現(xiàn)多處裂紋,該類型裂紋作者在檢驗中多次發(fā)現(xiàn),相關(guān)資料和文獻對這種現(xiàn)象的記述也很多,因此研究這類裂紋發(fā)生的機理對安全生產(chǎn)和檢驗工作具有重要意義。

1 起重機裂紋機理分析

1.1 起重機參數(shù)

型號:QDY100/30-16.5

額定起重量:100/30t

跨度:16.5m

鋼水包整備質(zhì)量:85～95t

起升高度:20/22m

運行速度:小車/大車 42/78.5m/min;主鉤/副鉤 4.2/9.5m/min

工作級別:A7

大車軌道型號:QU100

制造日期:1984年

1.2 主梁裂紋位置、狀態(tài)及使用環(huán)境分析

3條裂紋位于駕駛室附近、主梁與端梁連接圓弧過渡處。如圖1所示,每條裂紋都是沿圓弧法線方向伸展,其中與水平方向成大約30°的裂紋最長,長度約300mm。

圖1 裂紋擴展分布圖

煉鋼廠兌鐵跨共有5臺橋式起重機,其中3臺冶金橋式起重機,該起重機是其中3臺冶金橋式起重機中起重量最大的,由于本臺起重機負責(zé)鋼水產(chǎn)量大約160萬t/a,所以工作任務(wù)和工作頻率也是最繁重的。根據(jù)起重機的使用等級和起重機載荷譜系數(shù)Kp可以確定該起重機實際工作級別應(yīng)為A8[1]。所以頻繁的接近額定載荷的起重工作狀況是產(chǎn)生裂紋的主要影響因素。另外該起重機駕駛室對面有一排高爐,為了避開高爐,鋼水包在跨中偏駕駛室側(cè)停留時間較長。因此這種作業(yè)模式也是使駕駛室側(cè)容易產(chǎn)生裂紋的又一主要影響因素。

1.3 傳統(tǒng)力學(xué)分析裂紋產(chǎn)生原因

●1.3.1 自重載荷產(chǎn)生的彎矩Mq

該起重機自重142t,其中小車自重約為50t(忽略司機室自重)。由于主梁采用箱型梁結(jié)構(gòu),主梁內(nèi)部有垂直的橫向大勁板和小勁板以及水平的縱向加勁板條,因此由主梁自重產(chǎn)生的自重載荷PG可以近似看成是均布載荷q,根據(jù)工況取φ=1.1[1]。由此產(chǎn)生的彎矩Mq即為:

●1.3.2 起重機工作載荷產(chǎn)生的彎矩MP

為了簡化計算在主梁跨中時集中載荷產(chǎn)生的最大彎矩MP,并且考慮有軌道的支撐,所以小車輪在每根主梁上產(chǎn)生的輪壓P1和P2近似相等,小車輪距現(xiàn)場測量為2.94m,由下公式計算得出:

式中:

Vq——主鉤穩(wěn)定起升速度,m/s；

φ2——起升動載荷系數(shù)。根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范》中由起重機起升動力效應(yīng)和起升狀態(tài)級別分別取φ2min=1.05;β2=0.17[1]即:

P ——小車車輪在每根主梁上的輪壓,N;

S ——主梁的跨度,m;

b ——小車輪距,m。

●1.3.3 每根主梁的計算彎矩為Mmax

梁中部截面系數(shù)

式中:

B——主梁上下蓋板寬度,m；

H——主梁上下蓋板外側(cè)高度,m；

b——主梁腹板內(nèi)側(cè)寬度,m；

h——主梁上下蓋板內(nèi)側(cè)高度,m。

(主梁上下蓋板厚度及腹板厚度均為12mm)

所以跨中危險截面的最大應(yīng)力:

該主梁采用16Mn低合金結(jié)構(gòu)鋼板焊接,鋼板厚度為12mm,根據(jù)GB/T 1591—2008當(dāng)鋼板厚度δ≤16mm時,σs≥345MPa,470MPa≤σb≤630 MPa。

安全系數(shù)n=345/58.4=5.9。根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范》安全系數(shù)大于1.5即可[1],所以該起重機的設(shè)計安全余量滿足要求。

由于該起重機由主梁到端梁處高度由2300mm減小至1400mm,過渡圓角R=175mm。圓角過渡處由于截面尺寸變化較大,圓角半徑過小容易產(chǎn)生應(yīng)力集中[3]。再者,通過現(xiàn)場調(diào)查表明集中載荷多在駕駛室側(cè)的主梁上停留頻繁,該起重機服役時間超過30年,可以認為長時間的頻繁高載荷變化造成的[4]。因此該處裂紋屬于疲勞裂紋[5]。

1.4 ANSYS有限元程序建模分析主梁受力情況

如圖2所示,在主梁過渡圓弧處上方的上蓋板偏近發(fā)生裂紋的腹板側(cè)開了一個檢修艙口,并且這個雙梁起重機8個腹板過渡圓弧處只有這個檢修艙口下方的圓弧處開裂,所以應(yīng)探討是否由于檢修艙口的存在,影響了發(fā)生裂紋的腹板乃至主梁的這個部位附近的剛性和受力情況。

圖2 主梁上蓋板檢修艙口位置圖

傳統(tǒng)力學(xué)包括斷裂力學(xué)在分析主梁裂紋中比較宏觀,為了更加明確這個檢修艙口對應(yīng)力集中的影響情況,利用ANSYS有限元程序?qū)χ髁河信摽诤蜔o艙口兩種情況進行建模分析,其應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示[6]。

由應(yīng)力云圖可以看出,開設(shè)檢修艙口的情況下過渡圓角的應(yīng)力集中現(xiàn)象比較嚴(yán)重一點,因此在設(shè)計制造時應(yīng)該考慮避免在這個截面變化附近開設(shè)檢修艙口,如果避免不了的話應(yīng)該考慮做適當(dāng)?shù)难a強[7]。

圖3 開檢修艙口時的應(yīng)力云圖

圖4 未開檢修艙口時的應(yīng)力云圖

2 起重機裂紋修補方案

根據(jù)上述分析,制定了如下處理方案:

1)將小車開到主梁另一端處,使裂紋處于最小受力狀態(tài)。

2)先在裂紋延伸尖端處鉆出φ6～10mm的止裂孔,然后采用碳弧氣刨在主梁外側(cè)清除裂紋,深度約為腹板厚度1/2～2/3,不能刨透,刨后打磨光滑,同時將止裂孔周圍也打磨光滑,檢查有無裂紋痕跡,確保裂紋尖端延伸已清除掉。裂紋清除后在主梁外側(cè)進行補焊。

3)外側(cè)補焊后,在主梁里側(cè)同樣采用碳弧氣刨清除掉裂紋,深度以刨到外側(cè)補焊焊肉為止,保證裂紋清除干凈,刨后打磨光滑,對里側(cè)進行補焊。

4)準(zhǔn)備2件鋼板800×800×10mm作為補強板,材料Q345,按現(xiàn)場圓弧切割并鉆孔。分別在腹板里側(cè)和外側(cè)先對鉆孔處進行塞焊,再對補強板周圈進行焊接。經(jīng)過2年的使用和觀察,補焊處沒有再次出現(xiàn)裂紋。

3 結(jié)論

1)利用ANSYS建模分析開設(shè)檢修艙口和不開設(shè)檢修艙口時,主梁截面變化處的過渡圓角附近應(yīng)力集中程度是區(qū)別的。希望在起重機的設(shè)計和制造中應(yīng)考慮這種情況的影響,優(yōu)化設(shè)計檢修艙口的位置。由于本臺起重機的上蓋板的檢修艙口邊緣偏近發(fā)生裂紋的腹板,應(yīng)該對該側(cè)腹板乃至附近的主梁受力產(chǎn)生了影響,如果在設(shè)計和制造時安排檢修艙口在上蓋板寬度方向居中布置并做適當(dāng)補強,應(yīng)該能使起重機整體受力情況得到改善。

2)雖然對裂紋進行了補焊,并且經(jīng)過2年的使用和觀察未出現(xiàn)新的裂紋,但金屬的疲勞破壞機理還是存在的,補焊只能暫時延長起重機的服役時間,并不能根本解決問題。為了確保安全生產(chǎn)應(yīng)該做好新設(shè)備的更換準(zhǔn)備[8]。

3)冶金起重機工作環(huán)境惡劣、服役時間長、工作頻繁、工作載荷大,所以導(dǎo)致疲勞破壞的幾率也大。在特種設(shè)備定期檢驗時一定要克服現(xiàn)場的惡劣條件,著重對這些位置認真檢驗,及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題,排除安全隱患。起重機的使用單位安全管理人員也要按照定期檢驗規(guī)則的規(guī)定認真自檢,確保安全生產(chǎn)。

[1] GB/T 3811—2008 起重機設(shè)計規(guī)范[S]．

[2] 張慶懷．起重機械主梁受力分析[J]．中國高新技術(shù)企業(yè)，2010 (13) ：59-60．

[3] 王洪亮，陳全．起重機承重梁產(chǎn)生裂紋的原因分析[J]．機械研究與應(yīng)用，2009(03)：127-128．

[4] 唐新華，胡佑成． 100/32t雙梁橋式起重機主梁裂紋分析及修補[J]．起重運輸機械，2006(11)：74-76．

[5] 殷之平． 結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012．

[6] 楊先勇，劉安中，李友榮，等． 橋式起重機主梁焊縫有限元計算子模型[J]．起重運輸機械，2005(04)：8-10．

[7] 羅輝，易海鵬，羅會信．橋式起重機主梁有限元分析[J]．設(shè)計計算，2007(02)：67-69+73．

[8] 朱平． 起重機裂紋動力學(xué)分析[J]．廣東科技，2011(12)：59-60．

Analysis of Main Girder’s Crack Mechanism of Metallurgical Bridge Crane

Sun Xiangguang1Chen Yong1Wang Xingtao1Jia Chunming2Qu Hongri3
(1. Fushun City Special Equipment Supervision and Inspection Institute Fushun 113006)
(2. Catic Dawn Jinxi Machinery (Group) Co., LTD. Huludao 125000)
(3. Fushun New Iron and Steel Co., LTD. Fushun 113000)

Aiming at the crack produced by the web of the metallurgical bridge crane near the end of the transitional arc, the mechanism of crack generation is analyzed by ANSYS fi nite element software, and the effect of the maintenance hatch on the load of the main girder is discussed, the measures of repair welding and strengthen the safety technical inspection proposal are also put forward in this article, which are of great signi fi cance to the design and inspection of crane in this article.

Main girder transition arc Web crack Repair welding ANSYS modeling analysis

X941

B

1673-257X(2017)11-0054-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.11.014

孫祥廣（1982～)，男，碩士，中級工程師，從事特種設(shè)備檢驗檢測工作。

孫祥廣，E-mail： ftjsxg@163．com。

2017-04-19）