橋式卸船機(jī)前大梁的剛度弱化及預(yù)防

翟成群 夏健

摘要：隨著使用年限的增加，金屬材料的蠕變累積導(dǎo)致橋式抓斗卸船機(jī)的大梁剛度不斷下降，而蠕變現(xiàn)象目前還沒有成熟的可以用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的理論成果，如何保證前大梁在使用過程中滿足剛度要求，是一個(gè)值得研究的問題。本文根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，制定前大梁的生產(chǎn)工藝，保證前大梁的剛度能夠滿足技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：橋式卸船機(jī)；金屬蠕變；塑性變形；結(jié)構(gòu)剛度

1 前言

實(shí)際生產(chǎn)中所用的結(jié)構(gòu)鋼材并非理想的彈性材料，存在蠕變現(xiàn)象，即當(dāng)承受屈服極限以下的應(yīng)力作用時(shí)，依然會(huì)發(fā)生微量的塑性變形，并且當(dāng)持續(xù)承受恒定載荷時(shí)，塑性變形會(huì)不斷累加。隨著塑性變形的積累，導(dǎo)致材料的彈性模量不斷下降，金屬結(jié)構(gòu)的剛度不斷降低。

本文根據(jù)前大梁使用過程中的剛度變化數(shù)據(jù)，分析鋼結(jié)構(gòu)的弱化規(guī)律，制定大梁的生產(chǎn)工藝，保證大梁在使用壽命內(nèi)的剛度能夠滿足技術(shù)要求。

2 前大梁的變形分析

2.1載荷循環(huán)次數(shù)分布

卸船機(jī)主小車在前大梁上運(yùn)行，從碼頭運(yùn)行到船艙上方，放下抓斗，從船艙抓取物料后，提升抓斗，運(yùn)行到陸側(cè)的漏斗上方，將物料放入到漏斗中，再執(zhí)行下一個(gè)工作循環(huán)。

由于船型大小不一，主小車并不是每一個(gè)工作循環(huán)都要運(yùn)行到最大外伸距，因此前大梁上不同位置處小車經(jīng)過的次數(shù)不同。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，越靠近大梁鉸點(diǎn)處，小車經(jīng)過的次數(shù)越多，基本呈線性變化。

2.2微塑性變形的產(chǎn)生

實(shí)際使用的金屬材料不是理想的彈性材料，在承受屈服極限以下的應(yīng)力時(shí)依然會(huì)發(fā)生微塑性變形，即蠕變。卸船機(jī)大梁的微塑性變形 主要包含兩部分：主小車短暫加載造成的微塑性變形 和主小車長(zhǎng)時(shí)間靜止引起的微蠕變量 。其中 主要取決于材料的微塑性變形抵抗力， 則是大梁在恒定載荷作用下，金屬晶間錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)造成的蠕變。微塑性變形量隨著應(yīng)力作用時(shí)間的增加而增大，但通常過一段時(shí)間后便會(huì)保持在一個(gè)定值，當(dāng)應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，再隨之變化。

當(dāng)小車經(jīng)過前大梁的某一位置時(shí)，該點(diǎn)的應(yīng)力便會(huì)增加，大梁產(chǎn)生不可恢復(fù)的微量塑性變形。單次經(jīng)過產(chǎn)生的塑性變形相比于結(jié)構(gòu)的彈性變形及其微小，但經(jīng)過多次的累計(jì)，大梁的變形便會(huì)發(fā)生巨大的變化，以至于可以用相應(yīng)的儀器檢測(cè)到。因此微塑性變形引起的大梁剛度的變化是一個(gè)循環(huán)載荷作用下的疲勞累積結(jié)果。

2.3微塑性的積累

卸船機(jī)大梁在生產(chǎn)制作時(shí)會(huì)設(shè)置預(yù)拱度，以抵消自重產(chǎn)生的下?lián)献冃巍．?dāng)主小車空載時(shí)，循環(huán)次數(shù) =0，微塑性變形 =0，大梁上的小車軌道處于水平狀態(tài)。卸船機(jī)投產(chǎn)后，小車帶載運(yùn)行，大梁的應(yīng)力處于不斷地變化當(dāng)中，每次變化都會(huì)產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)小車運(yùn)行次數(shù)為 時(shí)，大梁積累的微塑性變形量為 。隨著投產(chǎn)時(shí)間的增加，循環(huán)次數(shù)達(dá)到時(shí) ，大梁微塑性變形增加到 。

由于金屬的蠕變一般不僅與瞬時(shí)的應(yīng)力及變形有關(guān)，還與之前加載的歷史有關(guān)。隨著應(yīng)力變化次數(shù)的增加，大梁的微塑性變形不斷累積，剛度下降速度不斷加快，當(dāng) 時(shí)， ，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與撓度呈非線性關(guān)系。

2.4大梁剛度變化分析

金屬材料在非屈服狀態(tài)下主要表現(xiàn)為線彈性，大梁在載荷作用下除了會(huì)產(chǎn)生微量的塑性變形外，主要變形為彈性變形，即卸載后，絕大部分的變形會(huì)消失。當(dāng)帶載主小車運(yùn)行至大梁鉸點(diǎn)與拉桿鉸點(diǎn)的中間位置時(shí)，前大梁撓度最大，其計(jì)算公式為：

式中：

為作用載荷， 為大梁鉸點(diǎn)與拉桿鉸點(diǎn)間距， 為大梁橫截面的慣性矩， 為材料的彈性模量。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，大梁在使用后期，在同樣位置的相同載荷作用下，其下?lián)献冃伪葎偼懂a(chǎn)時(shí)明顯增加。根據(jù)上述公式可以看出，在其它參數(shù)不變的情況下，只有材料的彈性模量E的下降才會(huì)導(dǎo)致大梁剛度的下降。

隨著使用次數(shù)的積累，大梁的微量塑性變形不斷增加，導(dǎo)致其剛度不斷下降，相同載荷在相同位置時(shí)，大梁的下?lián)献冃巫兇蟆?/p>

3 卸船機(jī)大梁制作步驟

3.1拼板

卸船機(jī)大梁尺寸較大，制作時(shí)一般需要板材拼接。根據(jù)大梁尺寸和拼接板材，采用埋弧焊焊接拼板焊縫，目的是為下一步大梁腹板整體放樣切割拱度曲線做準(zhǔn)備。

1）根據(jù)圖紙和工藝拼板圖的要求拼板，檢查鋼板的牌號(hào)、規(guī)格、鋼板號(hào)、爐批號(hào)、構(gòu)件圖號(hào)，做好質(zhì)量記錄。

2）引、熄弧板的安裝：①、同材質(zhì)；②、同板厚；③、坡口一致；④、規(guī)格100×80mm；⑤、引弧長(zhǎng)度≥50mm。

3）拼板翻身焊接：拼板背面清根后，進(jìn)行埋弧焊焊接作業(yè)。

4）無(wú)損探傷檢測(cè)：按AWS D1.1 標(biāo)準(zhǔn)100%UT及RT探傷比例要求需達(dá)到6.1章節(jié)要求。

3.2大梁腹板預(yù)拱度放樣

充分考慮_主梁因自重下?lián)隙群秃附幼冃我鸬墓岸葥p失因素，計(jì)算出預(yù)拱度值，并繪制預(yù)拱度放樣曲線。制造放樣設(shè)定的上拱值應(yīng)大于設(shè)計(jì)上拱值。制造放樣時(shí)，上拱值的確定還與大梁隔板的間距、剛性有關(guān)。如果設(shè)定的制造放樣上拱值過小，大梁焊后可能無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的上拱值，而必須采用火焰矯正法修復(fù)，如不采用火焰校正法會(huì)影響大梁上拱的穩(wěn)定性。大梁上兩個(gè)簡(jiǎn)支點(diǎn)間，制造放樣上拱值一般可在（1.5一1.7）L/1000之間選取。

放樣步驟：

1）確定隔板開檔間距，繪制曲線拱度線的各段端點(diǎn)位置。開檔間距小，會(huì)給生產(chǎn)操作帶來(lái)不便，影響經(jīng)濟(jì)性；開檔間距大，會(huì)使實(shí)際放樣與設(shè)計(jì)拱度差距太大，拱度曲線失真嚴(yán)重。為便于生產(chǎn)，一般采用箱形梁隔板位置為拱度曲線的端點(diǎn)。

2）按圖劃線切割。找出折線拱度曲線上的各線段端點(diǎn)。

3）復(fù)核各點(diǎn)尺寸，利用半自動(dòng)切割機(jī)切割拱度曲線。

3.3大梁成型

1）焊接承軌梁腹板與T形鋼

采用埋弧焊方式焊接承軌梁腹板與 T形鋼，拼接焊縫按 GB/ T11345-2013標(biāo)準(zhǔn)100% UT探傷達(dá) I級(jí)要求，并按技術(shù)協(xié)議及 RT控制要求追加 RT探傷。注意T形鋼拼接焊縫與腹板和上蓋板拼縫錯(cuò)開300mm以上，采用機(jī)械及火焰進(jìn)行矯正T形鋼上平面的平面度。

2）胎架準(zhǔn)備

搭制剛性胎架，盡量在每檔隔板位置搭制與拱度值相對(duì)應(yīng)的胎架。

3）安裝底板

將底板在胎架上調(diào)整定位，在底板上劃出所有的基準(zhǔn)線、檢測(cè)線、裝配線、按圖紙要求控制底板拱度變化值。

4）隔板組對(duì)

隔板腹板邊與底板此時(shí)需確保角直，及時(shí)對(duì)隔板進(jìn)行修整，并保證隔板與腹板的裝配間隙

5）腹板組對(duì)

腹板與底板上的隔板安裝線需保證重合。先定位腹板與底板，用2M靠尺檢查根部直線度≤2mm/2m。后定位隔板與腹板，同時(shí)檢查隔板與腹板上的隔板線是否重合或平行，保證隔板開檔誤差 d≤2‰ D（ D為圖紙要求隔板開檔）。

6）組裝上蓋板

上蓋板的定位與腹板相同，如果蓋板平整度較好，不應(yīng)強(qiáng)制壓緊使其與隔板貼緊，可以留有允許的間隙。

7）四面成型焊接

四面裝配完成后，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接各焊縫，注意焊接順序，先焊隔板與腹板立焊，再焊隔板與底板平角焊，最后焊腹板與底板內(nèi)、外側(cè)平角焊，其中外側(cè)平角焊采用自動(dòng)焊接小車進(jìn)行焊接。

4 結(jié)論

1）目前金屬的蠕變現(xiàn)象沒有成熟的理論指導(dǎo)生產(chǎn)設(shè)計(jì)，分析大梁剛度的變化規(guī)律需要依據(jù)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)。

2）由于微塑性變形的累積，前大梁的剛度隨著使用時(shí)間的增加不斷下降，其下?lián)献冃伪韧懂a(chǎn)時(shí)會(huì)變大，若在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到塑性變形的累積產(chǎn)生的影響，會(huì)導(dǎo)致卸船機(jī)在使用后期大梁剛度無(wú)法滿足技術(shù)要求。

3）完善的工藝規(guī)程可以有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量，讓前大梁在使用壽命內(nèi)滿足剛度要求。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：上海振華重工港機(jī)通用裝備有限公司）