基于疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的鑄造起重機(jī)箱梁結(jié)構(gòu)研究★

于萬(wàn)成

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

鑄造起重機(jī)是鋼鐵廠生產(chǎn)線上的主要設(shè)備，其主要通過龍門吊具運(yùn)輸高溫液態(tài)金屬。由于工作環(huán)境極其惡劣，金屬結(jié)構(gòu)又隨時(shí)都在承受變化的交變載荷，因此疲勞破壞是鑄造起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)最主要的一種失效形式，其破壞的程度往往決定著鑄造起重機(jī)的使用壽命。本文通過對(duì)當(dāng)前大型鑄造起重機(jī)箱梁金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合鑄造起重機(jī)箱梁焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能以及理論分析，從設(shè)計(jì)人員角度出發(fā)為提高起重機(jī)箱梁結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度提出若干措施和方法，對(duì)于提高起重機(jī)整機(jī)使用壽命有重要影響。

1 驗(yàn)算點(diǎn)的確定

起重機(jī)偏軌箱形梁一般是由上翼緣板、下翼緣板、型鋼、主腹板和副腹板圍成一個(gè)封閉的長(zhǎng)方形的箱形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主腹板與上翼緣板采用由“H”型鋼制成的“T”型鋼相連接，避免了不加“T”型鋼時(shí)主腹板與上翼緣板的連接焊縫容易開裂的問題。主梁跨端截面由于高度方向發(fā)生變化，主腹板與副腹板在長(zhǎng)度方向分別與主副腹板加厚板相連接。為了保證力流的順暢，“T”型鋼的腹板與主腹板和主腹板加厚板均對(duì)中連接，小車軌道布置在主腹板上方，用可調(diào)式軌道壓板裝置進(jìn)行固定。由于該箱梁有較好的垂直和水平剛度，同時(shí)梁內(nèi)有較大的空間，易于安裝大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和電控設(shè)備，因此廣泛被大型鑄造起重機(jī)所采用。

主梁的疲勞破壞大多發(fā)生在最大正應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或者正應(yīng)力和剪應(yīng)力都較大的位置附近，并且主要發(fā)生在受拉區(qū)。起重機(jī)的主梁在跨中截面附近（如圖1A-A剖視）有最大的正應(yīng)力，在1/4 跨度截面（如圖1B-B剖視）內(nèi)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力都比較大[1-3]，在跨端（如圖1C-C剖視）有最大的剪應(yīng)力。因此偏軌箱形梁進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，可選上述截面中的三個(gè)計(jì)算點(diǎn)：跨中附近最大彎矩作用截面的副腹板下角點(diǎn)（見圖1A-A視圖），是受拉區(qū)；1/4 跨度截面的副腹板下角點(diǎn)（見圖1B-B視圖），是受拉區(qū)；跨端截面副腹板加厚板下角點(diǎn)（見圖1C-C視圖），是受拉區(qū)，如圖1 中1、2、3 點(diǎn)所示。

圖1 主梁簡(jiǎn)圖

2 確定應(yīng)力集中情況等級(jí)

偏軌箱形梁為滿足梁腹板的局部穩(wěn)定性內(nèi)部均設(shè)有隔板，隔板與翼緣板和腹板間采用雙面連續(xù)角焊縫進(jìn)行連接。隔板用角焊縫（S.Q）焊接的帶切角的橫隔板，焊縫不包角且四周焊縫均打磨的情況，為中等應(yīng)力集中情況等級(jí)可定為k2級(jí)，因此在計(jì)算跨中最大彎矩截面和1/4 跨度截面時(shí)，應(yīng)力集中情況等級(jí)均可取為k2。

主梁端部截面高度變小且在此處有大車車輪支承，副腹板加厚板采用k形焊縫與彎板進(jìn)行連接。凡屬用k形焊縫（S.Q）連接承受彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力的構(gòu)件且焊縫打磨的情況，為中等應(yīng)力集中情況等級(jí)可定為k2級(jí)，因此在計(jì)算跨端截面時(shí)，應(yīng)力集中情況等級(jí)可取為k2。

3 計(jì)算最大應(yīng)力與最小應(yīng)力

箱梁中的最大應(yīng)力σx，max、σy，max、τx，ymax是按“起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的載荷與載荷組合表”中載荷組合A 中最不利工況確定的，在疲勞計(jì)算點(diǎn)上的各個(gè)應(yīng)力循環(huán)中，沿x、y軸線方向的絕對(duì)值最大計(jì)算正應(yīng)力和x，y軸線形成的平面上的絕對(duì)值最大計(jì)算剪應(yīng)力。最小應(yīng)力σx，min、σy，min、τx，ymin應(yīng)是和最大應(yīng)力處在相同應(yīng)力組合下，同一計(jì)算截面同一計(jì)算點(diǎn)的最小應(yīng)力絕對(duì)值[1]。

4 驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度

針對(duì)上述所選計(jì)算截面：

1）首先計(jì)算該截面計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力循環(huán)特性r。當(dāng)構(gòu)件單獨(dú)或同時(shí)承受正應(yīng)力（σx、σy）和剪應(yīng)力τx，y作用時(shí)，應(yīng)力循環(huán)特性值rx、ry、rxy，分別按下式計(jì)算：

式中：rx、ry、rx，y分別為應(yīng)力循環(huán)特性值；σx，max、σy，max、τx，y，max分別為構(gòu)件在疲勞計(jì)算點(diǎn)上的絕對(duì)值最大正應(yīng)力和絕對(duì)值最大剪應(yīng)力；σx，min、σy，min、τx，y，min分別為應(yīng)力循環(huán)中與σx，max、σy，max、τx，y，max相對(duì)應(yīng)的同一疲勞計(jì)算點(diǎn)上的一組應(yīng)力值（各帶正負(fù)號(hào)），其差值的絕對(duì)值為最大，計(jì)算應(yīng)力循環(huán)特性值r（包括rx、ry、rx，y）時(shí)，最小應(yīng)力和最大應(yīng)力應(yīng)帶各自正負(fù)號(hào)，拉應(yīng)力為正號(hào)，壓應(yīng)力為負(fù)號(hào)，剪應(yīng)力按變化約定。

2）根據(jù)構(gòu)件的工作級(jí)別、構(gòu)件連接的應(yīng)力集中情況等級(jí)以及構(gòu)件所使用的材質(zhì)等三個(gè)因素，按《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中表33[1]“拉伸和壓縮疲勞許用應(yīng)力的基本值[σ-1]”中查得疲勞許用應(yīng)力基本值[σ-2]。

3）根據(jù)[σ-1]和應(yīng)力循環(huán)特性r，按《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中表31[1]“構(gòu)件疲勞許用應(yīng)力”，可計(jì)算出疲勞許用應(yīng)力[σr，t]、[σr，c]和[σx，y，r]；

5）文獻(xiàn)[2-4]中有關(guān)于疲勞強(qiáng)度詳細(xì)的計(jì)算過程，本文不再贅述。

5 提高箱梁疲勞強(qiáng)度的措施

1）由于起重機(jī)設(shè)計(jì)壽命是基于用戶所要求的工作時(shí)間、載荷循環(huán)數(shù)、載荷譜等參數(shù)。如果用戶在產(chǎn)品訂貨時(shí)能夠準(zhǔn)確提供設(shè)計(jì)參數(shù)：如鋼水包重量、鋼水重量、每天吊運(yùn)多少個(gè)滿包和多少個(gè)空包、每個(gè)循環(huán)中箱梁的受力情況等信息，作為起重機(jī)設(shè)計(jì)的計(jì)算依據(jù)，箱梁設(shè)計(jì)將會(huì)更加合理。

2）一般鑄造起重機(jī)起重量較大，大車每側(cè)端梁下有多組車輪，每個(gè)車輪經(jīng)過廠房軌道接頭處時(shí)都會(huì)造成沖擊載荷，將會(huì)嚴(yán)重降低箱梁的使用壽命，導(dǎo)致起重機(jī)早期失效。軌道接頭缺陷對(duì)使用壽命的影響程度可參見《鑄造起重機(jī)報(bào)廢條件》[5]。鋼廠必須定期對(duì)廠房上的起重機(jī)軌道進(jìn)行檢查，同時(shí)按照GB/T 10183《起重機(jī)車輪及大車和小車軌道公差第1 部分：總則》的要求對(duì)軌道進(jìn)行修復(fù)工作。

3）起重機(jī)的安裝質(zhì)量能夠影響箱梁的使用壽命。如起重機(jī)的跨度公差、車輪的水平歪斜和垂直歪斜將會(huì)增加車輪啃軌機(jī)率，增大車輪磨損，同時(shí)也會(huì)加大箱梁的水平側(cè)向力所產(chǎn)生的應(yīng)力水平，從而降低箱梁使用壽命。

4）從《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》表33[1]“拉伸和壓縮疲勞許用應(yīng)力的基本值[σ-2]”可見，隨著連接應(yīng)力集中等級(jí)的遞增，結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度遞減，應(yīng)盡量采用較為合理的應(yīng)力集中情況等級(jí)k值，設(shè)計(jì)時(shí)重要結(jié)構(gòu)件疲勞計(jì)算中焊接件的連接類別只允許小于或等于k2，以提高焊縫的拉伸和壓縮疲勞許用應(yīng)力，從而提高構(gòu)件的疲勞許用應(yīng)力。

5）采用增加箱梁腹板高度或者翼緣板厚度的方式，使得箱梁跨中截面擁有較大的抗彎截面模量，從而降低箱梁應(yīng)力水平。

6）為了避免箱梁截面高度突變產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中點(diǎn)，主腹板和副腹板端部宜采用加厚板且彎板以大圓弧進(jìn)行過渡，使得應(yīng)力平滑順暢，不至于產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中情況。同時(shí)彎板彎折半徑在滿足尺寸要求的情況下越大越好，當(dāng)彎板厚度較厚時(shí)建議采用熱彎的方式，避免冷彎時(shí)在圓弧部位產(chǎn)生裂紋和應(yīng)力。

7）箱形主梁的主要焊縫（翼緣板和腹板自身的拼接焊縫，翼緣板與主腹板和副腹板的連接焊縫，采用“T”型鋼時(shí)“T”型鋼與翼緣板或腹板的連接焊縫）應(yīng)采用引、滅弧板，避免焊縫起弧、滅弧時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)。

8）“T”型鋼與主腹板或主腹板加厚板單面對(duì)接時(shí)采用1/5 的斜度，雙面對(duì)接時(shí)采用1/5 的斜度，以提高焊縫的應(yīng)力集中情況等級(jí)。

9）上翼緣板上的艙口蓋鑲?cè)透备拱迳系拈T鑲?cè)υ诒ＷC機(jī)電設(shè)備正常進(jìn)入箱梁的情況下，孔口應(yīng)盡量小且過渡圓弧半徑盡量大，從而降低應(yīng)力集中情況等級(jí)，保證應(yīng)力水平平滑過渡。

10）箱形主梁中用角焊縫將縱向加勁肋焊到翼緣板和腹板上時(shí)，應(yīng)采用雙面連續(xù)焊縫且焊縫包過縱向加勁肋的各角，避免焊縫起弧、滅弧時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)。

11）在箱形主梁中隔板四角切角，應(yīng)采用雙面連續(xù)貼角焊縫將其焊到翼緣板和腹板上且焊縫包過隔板的各角[6]，跨中三至四塊以及主梁頭部左右兩端各2 塊隔板與翼緣板、腹板之間的焊縫要求打磨光滑，降低隔板與翼緣板、腹板連接處的焊接應(yīng)力集中情況等級(jí)。

12）鋼包滿載處于上極限位置時(shí)，箱梁的下翼緣板長(zhǎng)時(shí)間受熱輻射的影響將使板材金相組織發(fā)生蠕變，力學(xué)性能降低，從而降低箱梁的承載能力。因此要求鑄造起重機(jī)箱梁的下翼緣板增設(shè)防輻射裝置，其能夠有效的隔離高溫對(duì)箱梁下翼緣板的熱輻射，提高箱梁的使用壽命。

13）小車軌道宜用整根軌道或?qū)④壍澜宇^焊為一體，以減少小車運(yùn)行時(shí)車輪在軌道接頭處對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)的沖擊載荷，同時(shí)在軌道下鋪設(shè)橡膠復(fù)合墊板，使其能夠完全把載荷傳遞到箱梁上，降低由小車輪壓引起的局部壓應(yīng)力，阻止軌道橫向和縱向滑移，有效降低小車的震動(dòng)和噪音，減小對(duì)箱梁的沖擊載荷，并能夠有效保護(hù)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，延長(zhǎng)箱梁的使用壽命。

6 結(jié)論

鑄造起重機(jī)由于工作任務(wù)繁重，工作環(huán)境惡劣，壽命受構(gòu)造形式、載荷狀態(tài)、設(shè)計(jì)應(yīng)力、制造工藝、安裝質(zhì)量、軌道誤差、工作環(huán)境、操作方式、維護(hù)保養(yǎng)等綜合因素影響。同時(shí)又承受交變載荷的反復(fù)作用，疲勞破壞是其主要的失效形式，設(shè)計(jì)時(shí)可以從構(gòu)件連接的應(yīng)力集中情況等級(jí)、構(gòu)件接頭型式和焊接質(zhì)量等方面出發(fā)，采取不同的措施提高構(gòu)件的疲勞許用應(yīng)力，使得結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)更加安全可靠。