橋式起重機結(jié)構(gòu)失效與輕量化設(shè)計制造的問題探討

咼中樑 張 勇 蔣秉棟 黃國建

（廣州特種機電設(shè)備檢測研究院 廣州 510180）

通用橋式起重機（以下簡稱“橋機”）是船廠產(chǎn)品制造中不可或缺的生產(chǎn)設(shè)備，統(tǒng)計分析表明，船廠用橋機的工作級別一般達到A5-A8，是一種在運行過程中存在較高風(fēng)險的起重設(shè)備。本文以某船廠的一臺服役了近10年的橋機（見圖1）為例進行分析。

在使用單位日常巡檢中發(fā)現(xiàn)主梁腹板存在較為嚴重變形現(xiàn)象（見圖2、圖3），設(shè)備主要參數(shù)見表1，筆者通過橋機的主梁進行開箱檢測發(fā)現(xiàn)內(nèi)部加強筋出現(xiàn)失穩(wěn)變形，利用有限元分析軟件ANSYS預(yù)先建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā)驗算計算出結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性，同時采用應(yīng)力測試方法實測主梁結(jié)構(gòu)在加載過程中的應(yīng)力變化，通過現(xiàn)場實測得到的應(yīng)力值與解析分析法的計算值兩種結(jié)果參考尋找結(jié)構(gòu)變形的原因。

圖1 待測樣機

圖2 腹板變形

圖3 腹板變形量

表1 設(shè)備參數(shù)

1 形位測試結(jié)果

目測可知，若以走道為參照線，腹板與走道“踢腳線”有連續(xù)不均勻的間隙（見圖2），加之變形部位在主梁跨中部位，若產(chǎn)生失穩(wěn)，會造成嚴重的事故，經(jīng)測試，最大變形量已達到22mm（見圖3），已超標（標準要求離上翼緣板H/3區(qū)域最大允許值6.8mm，其他區(qū)域最大允許值11.6mm）。

開箱后目視檢測結(jié)果：主梁內(nèi)部未見明顯異常腐蝕、銹蝕現(xiàn)象，主梁內(nèi)部隔板未見明顯變形，主梁外側(cè)腹板變形處內(nèi)部加強筋有4處明顯變形，隔板、筋板與主梁連接角焊縫無明顯可見裂紋。

2 主梁有限元模型及計算

2.1 強度校核

材料：Q345，強度系數(shù)n=1.48，許用應(yīng)力：

工況描述：32t小車處于跨中位置。

有限元模型見圖4。

主梁端部變截面處出現(xiàn)較大應(yīng)力，最大應(yīng)力192.5MPa，主梁下蓋板最大受力109.4MPa，該工況下主梁中間上、下蓋板應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計強度滿足實際工況使用需求。

圖4 有限元分析結(jié)果圖

2.2 主梁局部穩(wěn)定性分析

1）兩縱肋之間的上蓋板的局部穩(wěn)定性（見圖5）。

圖5 主梁跨中截面簡圖

2）腹板的局部穩(wěn)定性（見圖6）。

圖6 腹板應(yīng)力分布圖

t= 14mm;a= 2000mm;b= 2640mm

σ1=-101.15MPa，σ2=-110.86MPa，τ=14.45MPa

板1的局部穩(wěn)定性（見圖7）。

圖7 板1應(yīng)力分布圖

由計算結(jié)果知，臨界局部壓應(yīng)力為93.7MPa，與板的局部穩(wěn)定性許用應(yīng)力110.35MPa已經(jīng)十分接近。

3 應(yīng)力測試

本次測試選取整機6處關(guān)鍵性位置或變截面位置，具體布點位置如圖8所示：

圖8 測點布置方案圖

測試結(jié)果對比見圖9、圖10、圖11。

應(yīng)力測試結(jié)果分析：

1）主梁在吊載30t載荷時，最大受力小于材料許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強度符合實際使用要求。

2）從受力對稱性可知，對稱測點數(shù)據(jù)反映出主梁受力對稱性較好。外側(cè)腹板發(fā)生變形，但并未導(dǎo)致主梁兩側(cè)受力產(chǎn)生較大差異。

圖9 主梁1號-2號測點應(yīng)力測試數(shù)據(jù)對比圖

圖10 主梁3號-4號測點應(yīng)力測試數(shù)據(jù)對比圖

圖11 主梁5號-6號測點應(yīng)力測試數(shù)據(jù)對比圖

4 結(jié)論

1）現(xiàn)代經(jīng)濟快速發(fā)展，企業(yè)為確保生產(chǎn)效率，起重裝卸設(shè)備基本都處于超負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，實際工作級別高于設(shè)計值，加之工作環(huán)境惡劣，對操作人員的管理、培訓(xùn)措施不到位，設(shè)備極容易提前進入疲勞期，進而引發(fā)安全事故。

2）本案例中的起重機就是典型的實際工作級別高于設(shè)計值的例子，結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試結(jié)果反映出主梁結(jié)構(gòu)強度在滿足工況使用要求的前提下，腹板已出現(xiàn)失穩(wěn)的“疲態(tài)”。通過強度校核可知，起重機制造單位在結(jié)構(gòu)的強度及穩(wěn)定性設(shè)計上雖滿足使用工況，但由穩(wěn)定性計算結(jié)果可知，設(shè)計穩(wěn)定臨界值與許用應(yīng)力已經(jīng)十分接近，在長期高強度作業(yè)工況下安全裕度不足。

3）近年來，起重機輕量化設(shè)計與制造的理念引導(dǎo)下，很多起重機制造企業(yè)為了追求利益最大化，在制造工藝并不完全達標的情況下，或者在設(shè)計時對使用單位的實際工況考慮不足時，極易導(dǎo)致起重機在“正值壯年”時就出現(xiàn)較大的安全隱患，使用壽命縮短。反觀船廠許多的大型起重設(shè)備，多由自己設(shè)計制造，雖然實際使用的工作級別較低，但設(shè)計時一般都會留足安全裕度，加之用料足，許多設(shè)備在使用了20～30年之久后仍然保持良好的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

4）此案例提醒起重設(shè)備的使用單位和設(shè)計制造單位，對起重機選型問題應(yīng)引起高度重視。雖然起重設(shè)備輕量化能節(jié)省購買成本，但設(shè)備的提前退役或者因設(shè)備結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致的安全事故才是更大的浪費。