造船龍門起重機(jī)大車平衡梁裂紋分析

莊玉洋，錢紅飆，洪 波，郭曉光

（1.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連116021；2.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧 大連116025）

0 引言

從起重機(jī)日常故障維修比例來看，金屬結(jié)構(gòu)裂紋修理占到其他各項(xiàng)故障維修之首。引起起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋的因素有多種，主要是超負(fù)荷工作、起重機(jī)失修、設(shè)計(jì)制造、材料缺陷及焊接質(zhì)量等。

本文對某船舶集團(tuán)一臺600 t造船門式起重機(jī)大車平衡梁結(jié)構(gòu)裂紋維修進(jìn)行闡述。從金屬結(jié)構(gòu)受力分析入手，配合結(jié)構(gòu)工藝性分析，來查找判斷裂紋產(chǎn)生原因，并根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，制定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)維修改造方案。所用方法通過實(shí)踐證實(shí)是正確可靠的。

1 平衡梁裂紋檢查

某船舶集團(tuán)一臺600 t造船龍門起重機(jī)，起重量600 t，起升高度90 m，跨度188 m，整機(jī)自重4 524 t，剛撓腿大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)各配置48個(gè)車輪。大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式見圖1所示。

圖1 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式

在進(jìn)行日常點(diǎn)檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)大車平衡梁鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的焊縫區(qū)域產(chǎn)生裂紋，且集中在大、中平衡梁上，對起重機(jī)的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。平衡梁結(jié)構(gòu)檢查結(jié)果見表1所示。符合GB/T6067.1-2010《起重機(jī)械安全規(guī)程 第1部分 總則》[1]。

表1 平衡梁檢查

裂紋區(qū)域檢查。根據(jù)圖紙技術(shù)要求，裂紋區(qū)域的焊縫為開坡口熔透焊縫，但由于無損檢測不能反映裂紋處的內(nèi)在情況，因此，隨機(jī)抽查兩處裂紋，采用氣刨將裂紋區(qū)域焊縫打開，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部存在夾碴、未熔透等較嚴(yán)重缺陷。

2 裂紋分析

2.1 平衡梁結(jié)構(gòu)受力分析

（1）載荷計(jì)算

根據(jù)該門吊的計(jì)算書，按空載和滿載荷組合工況，分別計(jì)算剛、撓腿平衡梁的受力情況。各腿分別取最大點(diǎn)載荷加載到大平衡梁鉸點(diǎn)上，具體加載數(shù)值見表2。

表2 載荷表

（2）有限元模型

應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，各級平衡梁主框架結(jié)構(gòu)為箱型焊接結(jié)構(gòu)，通過銷軸進(jìn)行連接。建模時(shí)，箱型結(jié)構(gòu)按SHELL板單元建立，銷軸連接處建立質(zhì)量點(diǎn)，作偶合處理，模擬銷軸連接方式。有限元模型及約束形式見圖2所示。

圖2 邊界條件

（3）計(jì)算結(jié)果

剛、撓腿在兩種工況下的計(jì)算結(jié)果見表3。圖3和圖4分別為空載時(shí)剛腿側(cè)的大平衡梁和中平衡梁應(yīng)力云圖。計(jì)算的最大應(yīng)力都發(fā)生在出現(xiàn)裂紋的焊縫區(qū)域。其中，在空載時(shí)剛腿側(cè)的最大應(yīng)力225.2 MPa，發(fā)生在大平衡梁上，滿載時(shí)的最大應(yīng)力為273 MPa，超出Q345材料許用應(yīng)力（按板厚30 mm計(jì)算得243 MPa）的1.12倍；撓腿側(cè)在空載時(shí)的最大應(yīng)力203.5 MPa，發(fā)生在大平衡梁上，滿載時(shí)的最大應(yīng)力為246.6 MPa，略超出Q345材料的許用應(yīng)力。

表3 剛、撓腿在兩種工況下的計(jì)算結(jié)果

圖3 空載時(shí)剛腿側(cè)大平衡梁應(yīng)力云圖

圖4 空載時(shí)剛腿側(cè)中平衡梁應(yīng)力云圖

（4）結(jié)果分析

從平衡梁受力分析來看，大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的各級平衡梁，在空載運(yùn)行時(shí)，裂紋所在的焊縫區(qū)域，其計(jì)算應(yīng)力就較大，達(dá)到了Q345許用應(yīng)力（243 MPa）的80%以上；另外，由于最大應(yīng)力都發(fā)生在結(jié)構(gòu)突變處，這是應(yīng)力集中的體現(xiàn)；對比剛、撓腿平衡梁受力結(jié)果，剛腿側(cè)的應(yīng)力大于同工況下?lián)贤葌?cè)應(yīng)力。綜上分析認(rèn)為：裂紋的產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)所承受應(yīng)力有關(guān)，應(yīng)力大則破壞就相對嚴(yán)重，這從實(shí)際裂紋檢查結(jié)果得到印證，而且，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中也對裂紋的產(chǎn)生起到重要影響。

2.2 裂紋表象分析

（1）裂紋的表象特點(diǎn)

裂紋產(chǎn)生位置都在座板與下蓋板的連接焊縫，該焊縫在設(shè)計(jì)時(shí)為開坡口焊透焊縫；產(chǎn)生裂紋的區(qū)域，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形情況；檢查焊縫內(nèi)部存在夾碴、未熔透等較嚴(yán)重缺陷。

（2）表象分析

從裂紋的表象特征來看，裂紋都產(chǎn)生在結(jié)構(gòu)突變處的焊縫上，且該區(qū)域布置有多道交叉集中焊縫，其結(jié)構(gòu)工藝性相對較差，由于焊接質(zhì)量控制不好，在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生了夾碴、未熔透等較嚴(yán)重缺陷，在綜合應(yīng)力作用下，裂紋從焊縫的缺陷部位開始，逐步向外延展形成表象。因此，分析認(rèn)為，結(jié)構(gòu)工藝性較差、焊接質(zhì)量缺陷等是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主因，

3 平衡梁維修

（1）維修原則

根據(jù)分析結(jié)果，將平衡梁的維修重點(diǎn)放在解決以下兩方面問題上：一是降低裂紋區(qū)域的應(yīng)力水平，減緩應(yīng)力集中現(xiàn)象；二是去除焊接缺陷，保證焊接質(zhì)量。

（2）平衡梁結(jié)構(gòu)改造

在大平衡梁的結(jié)構(gòu)拐角區(qū)，焊接板厚20 mm的加強(qiáng)筋板，連接采用帶襯板單邊開坡口熔透焊縫，并在腹板上焊接16 mm的補(bǔ)強(qiáng)板，采用角焊縫連接，圖5為大平衡梁補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖。

在中平衡梁的結(jié)構(gòu)拐角區(qū)焊接板厚20 mm加強(qiáng)筋板，連接采用帶襯板單邊開坡口熔透焊縫，圖6為中平衡梁補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 大平衡梁補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖6 中平衡梁補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

（3）理論分析校核

采用ANSYS分析軟件，建模分析平衡梁結(jié)構(gòu)改造前后應(yīng)力變化情況。計(jì)算工況：小車在剛腿側(cè)，吊載600 t，大車運(yùn)行，工作風(fēng)速。計(jì)算結(jié)果：在裂紋所在區(qū)域，應(yīng)力有了較大改善。其中，大平衡梁在裂紋處的應(yīng)力由272 MPa下降至181 MPa，中平衡梁在裂紋處的應(yīng)力由261 MPa下降至224 MPa。圖7到圖10為平衡梁結(jié)構(gòu)改造前后應(yīng)力云圖。符合GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]。

圖7 大平衡梁結(jié)構(gòu)改造前應(yīng)力云圖

圖8 大平衡梁結(jié)構(gòu)改造后應(yīng)力云圖

圖9 中平衡梁結(jié)構(gòu)改造前應(yīng)力云圖

圖10 中平衡梁結(jié)構(gòu)改造后應(yīng)力云圖

（4）維修措施

為了確保本次平衡梁的維修質(zhì)量，對現(xiàn)場施工提出了以下要求：

1）在維修期間，應(yīng)保證大、中平衡梁裂紋區(qū)域在維修期間不受力，避免結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響；

2）裂紋區(qū)域的缺陷清理要徹底，采用氣刨清理裂紋區(qū)域的焊縫，清理的深度達(dá)到板厚尺寸，氣割時(shí)不能切割到平衡梁的耳座板，氣割后要采用手動(dòng)打磨方式對焊接區(qū)域的氧化皮、飛濺等打磨干凈。

3）焊接采用氣體保護(hù)焊，焊接材料采用H08Mn2-SiA所有開坡口熔透焊縫均要保證焊透，焊縫外觀上不得有裂縫、咬邊、焊瘤等缺陷。

4）焊后對焊縫進(jìn)行磁粉無損檢測。

4 結(jié)束語

通過本案例，使設(shè)計(jì)人員更深刻地認(rèn)識到：在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免或緩解主承力構(gòu)件上的應(yīng)力集中，并加強(qiáng)結(jié)構(gòu)工藝性分析，為加工質(zhì)量的提高創(chuàng)造條件。以上述理論計(jì)算分析為依據(jù)制訂的維修方案，在大船600 t造船門吊大車平衡梁裂紋維修項(xiàng)目中，進(jìn)行了具體應(yīng)用與實(shí)施，并取得了良好的效果，保證了該600 t造船龍門起重機(jī)的安全使用。