主梁下?lián)蠈ζ鹬貦C安全性能的影響及解決方案

陳希楊

（福建省勞安設(shè)備技術(shù)開發(fā)中心，福建福州 350001）

0 引言

據(jù)國家市場監(jiān)督管理局關(guān)于2019 年特種設(shè)備安全狀況的通報，我國的起重機械保有量已達到245 萬余臺。從歷年市場監(jiān)督管理總局（原質(zhì)監(jiān)總局）特種設(shè)備的事故統(tǒng)計分析，起重機安全事故的出事率逐年居高不下，其中有人為的操作因素，也有設(shè)備本身不安全因素引起的事故，其中主梁下?lián)蠁栴}一直是起重機械事故的一個重要原因。鑒于此種情況，對起重機主梁下?lián)蠁栴}進行研究，同時也對下?lián)系母鞣N情況進行探討，及在各種情形下的使用情況，盡量避免因此而產(chǎn)生的危害。本文主要從理論上對起重機械主梁的相關(guān)要求和大量實際工作兩個方面，分析其形成原因，并總結(jié)預(yù)防措施。

1 主梁下?lián)铣梢蚍治?/h2>

有多方面的原因能夠引起起重機械的主梁下?lián)?，通過理論分析和檢驗工作實踐總結(jié)，得出最常見是設(shè)計、制造、運輸、安裝和使用等方面的原因。

1.1 設(shè)計原因

我國最早的起重機械設(shè)計理論參照的是蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，對主梁靜剛度按S/700 進行設(shè)計，而且標(biāo)準(zhǔn)對疲勞計算未作要求。采用此標(biāo)準(zhǔn)作為起重機械的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，考慮到我國鋼材物理性能與國外鋼材的差距，如果生產(chǎn)過程中過度關(guān)注起重機械的輕量化，會造成所設(shè)計的主梁界面尺寸偏小，腹板偏薄，其剛度差，主梁在使用過程中，即使不超重使用，也可能過早的產(chǎn)生下?lián)献冃蝃1]。

檢驗中經(jīng)常遇到有些起重機械采用的是箱型主梁，這類主梁結(jié)構(gòu)比較特殊，一般采用焊接結(jié)構(gòu)。用焊接方法制造的主梁，最大的問題在于其焊接應(yīng)力較為復(fù)雜。對鋼材進行焊接時，由于焊接過程可以比擬成為一次熔融金屬再結(jié)晶的過程，焊縫及其附近區(qū)域，在由高溫到低溫的過程中，由于金屬收縮，會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。有研究表明，這些殘余應(yīng)力達到一定的數(shù)量級，會引起主梁變形。從理論上分析，主梁焊縫附近殘余應(yīng)力呈以下特征：上、下蓋板焊縫附近為拉應(yīng)力，中間為壓應(yīng)力；腹板焊縫附近為拉應(yīng)力，中間為壓應(yīng)力。起重機械的實際使用過程中，主梁承載前后的應(yīng)力是有區(qū)別的，不僅僅是焊接工藝的影響，還存在諸如制造材料的自身內(nèi)應(yīng)力，主梁的成拱制造工藝都會產(chǎn)生應(yīng)力[2]。制造時，主梁腹板不按成拱的要求選用材料、通過火焰矯正或強力矯正來進行上拱成型，都會使箱型梁的內(nèi)應(yīng)力變得復(fù)雜。在檢驗中發(fā)現(xiàn)，采用鉚接梁或焊接桁架梁其下?lián)献冃慰刂频妮^好，不易出現(xiàn)上述問題。

1.2 制造工藝原因

主梁拱度的成拱方法不同，對主梁拱度的保持具有不同的影響。隨著制造技術(shù)的不斷提高，成拱方法所帶來的影響有逐漸減小的趨勢。下面概述常用的三種成拱方法對拱度的影響。

（1）敲打法。梁的腹板下料時不作預(yù)留，在焊接完成之后，采用風(fēng)錘在上蓋板和腹板連接焊縫之間進行錘擊，釋放焊接殘余應(yīng)力的同時，使其產(chǎn)生部分不可逆的塑性變形；同時對下蓋板采取火焰加熱和重錘頂壓的方法也產(chǎn)生一定的塑性變形，以達到標(biāo)準(zhǔn)要求的拱度。其優(yōu)點在于上蓋板的應(yīng)力得以釋放，缺點是下蓋板的應(yīng)力不但沒有釋放，而且會由于重錘的頂壓和加熱產(chǎn)生新的不可預(yù)知的應(yīng)力，而且錘壓會使鋼材產(chǎn)生硬化，硬度上升塑性下降。因此，采用這種方法形成的拱度不穩(wěn)定，下梁受力時易產(chǎn)生塑性變形，降低拱度。

（2）局部加熱法。主梁腹板下料平直，通過控制主梁焊縫焊接順序使拱度達到要求的方法。其關(guān)鍵在于利用了鋼材的熱塑性，使其產(chǎn)生了上拱的殘余變形，缺點是殘余應(yīng)力值較大，在外載荷的作用下，拱度不穩(wěn)定，有減小的趨勢。

（3）預(yù)成型法。在箱型梁制造成形時，將主梁的腹板下料成拱形。由于主梁上部分焊接的筋板較多，焊接殘余應(yīng)力也比下部分大，因此其收縮也大?；谶@個原因分析，腹板拱度一定要比制成的主梁拱度大。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：腹板下料時，因保持F=（2.5-3.5）S/1000的上拱量，單根主梁拼焊后保持1.8S/1000 上拱量；橋架組裝并焊接軌道后，出廠時應(yīng)保證其上拱量為S/1000。與敲打法和局部加熱法相比，預(yù)成型法由于其腹板下料成拱形，受載后拱度消失情況比前者小得多。由此可見，制造方法對拱度的影響較大。

1.3 使用條件的影響

使用單位一般將車間的生產(chǎn)能力、設(shè)備重量和使用環(huán)境等作為主要因素來購置起重機，安裝的起重機一般滿足當(dāng)時選擇的參數(shù)。檢驗過程中發(fā)現(xiàn)有的單位因生產(chǎn)擴大等原因超負(fù)荷使用，如超載使用；吊拔使用場所中未知重量的埋設(shè)物；鋼絲繩未做好預(yù)備措施就起吊；制動器故障；重物沖擊等，使主梁下?lián)习l(fā)生破壞，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 腹板波浪變形的影響

根據(jù)力學(xué)理論，起重機主梁吊運重物時，腹板承受剪切應(yīng)力。腹板正常時，剪切變形對于撓度的影響幾乎可以忽略不計。但當(dāng)腹板存在較大的波浪變形時，這種影響將成倍體現(xiàn)。有研究表明，此時剪切變形產(chǎn)生的撓度與波浪數(shù)值的平方成正比。隨著剪切變形的增大，腹板的壓應(yīng)力也增加，會造成彎曲。當(dāng)小車在主梁上來回運行時，腹板的受力在45°對角線方向呈時而受拉時而受壓的反復(fù)交替，這種反復(fù)交替的力和腹板本身的波浪變形相疊加，可能會導(dǎo)致腹板產(chǎn)生殘余的塑性變形[3]。因此，腹板原始波浪變形越大，其主梁下?lián)弦苍酱?，進而導(dǎo)致受壓區(qū)域的彎曲應(yīng)力也越大，如此惡性循環(huán)，由于腹板波浪變形而導(dǎo)致的下?lián)暇蜁絹碓絿?yán)重。

1.5 溫度的影響

在起重機械定期檢驗過程中發(fā)現(xiàn)，工作環(huán)境溫度較高的起重機械，其下?lián)舷鄬Χ愿鼮閲?yán)重。特別是吊運熔融金屬的起重機，長期在溫度較高的環(huán)境下使用，再加上所吊運工件熱輻射共同作用，會導(dǎo)致大梁上下蓋板的溫度差值較大，其中下部分因距離近受熱輻射大而伸長，從而導(dǎo)致主梁拱度自然減小。對于這類起重機械，應(yīng)在主梁的下蓋板采取有效的隔熱措施，以減少因溫度差異對撓度產(chǎn)生的不利影響。

1.6 安裝過程中的不規(guī)范操作

起重機械新裝或者移裝時，其橋架的存放、搬運、起吊和安裝的方法均對下?lián)嫌杏绊憽蚣軐儆陂L徑比較大的金屬構(gòu)件，制造時的焊接殘余應(yīng)力較大，這些應(yīng)力在不合理的存放、搬運、起吊和未按照規(guī)程安裝的情況下，主梁的下?lián)蠒艿絿?yán)重影響。

1.7 維修工藝不當(dāng)

維修起重機械主梁時，應(yīng)在維修前編制相關(guān)的維修工藝，否則在橋架上進行氣割、焊接等熱加工時，會影響主梁的下?lián)?。對于小車軌道的安裝，一般采用壓板直接焊接在主梁蓋板上的方式，工藝比較簡單實用，但如果小車輪存在啃軌的起重機械，軌道更換的次數(shù)越多，割舊焊新，主梁更容易下?lián)?。建議在拆換小車軌道時，采用電弧氣刨或風(fēng)鏟等方法，避免采用加熱的工藝方法。壓板在氣割或焊接時宜將主梁中間頂起，這樣可大大減少加熱所引起的下?lián)献冃?。如果小車軌道采用螺栓固定壓板，就免去了割、焊加熱的影響?/p>

2 主梁下?lián)系挠绊懠拔：?/h2>

橋式起重機主梁是起重機主要結(jié)構(gòu)件,在吊運重物的情況下，主梁下?lián)蠋缀蹼y以避免,其應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，如果下?lián)铣^了規(guī)定值，則可能會影響起重機械的安全運行，不及時修復(fù)會對人身和財產(chǎn)造成威脅。通過大量的起重機械檢驗經(jīng)驗，對主梁下?lián)铣霈F(xiàn)的問題進行總結(jié)分析，得出其對起重機械的影響有以下7 個方面。

（1）影響小車運行。主梁下?lián)蠒?dǎo)致小車在主梁上運行時阻力增大。當(dāng)阻力增大40% 時，將降低小車運行機構(gòu)壽命或者容易損壞機構(gòu)零件，增大動力消耗，嚴(yán)重時將燒壞電機。另一方面，由于坡度的影響，小車停機時無法精確定位，對于車間有些對設(shè)備定位精度高的場合，影響其使用，嚴(yán)重者發(fā)生事故。

（2）影響大車運行。主梁的下?lián)?，對集中傳動的大車運行機構(gòu)影響很大，它將使傳動軸在受彎矩的作用下旋轉(zhuǎn)。傳動軸轉(zhuǎn)速越高，造成的后果越嚴(yán)重，另外，動力消耗也越大。

（3）影響主梁水平旁彎和腹板。由于主梁下?lián)?，常常引起主梁向?nèi)側(cè)水平旁彎。若旁彎超過一定值，小車軌距就要超差。當(dāng)超差過大時，小車車輪會發(fā)生啃道和夾軌現(xiàn)象，同時小車運行阻力也增大，動作遲緩，嚴(yán)重時，在大車受到振動的情況下，還會引起小車脫軌。

（4）主梁下繞往往伴隨主梁水平彎曲，局部腹板翹曲變形，腹板與上蓋板連接處焊縫開焊、腹板與下蓋板連接出現(xiàn)裂紋，主梁幾何尺寸的改變會改變橋架及大小車跨度的尺寸。

（5）主梁下繞對集中驅(qū)動的大車運行機構(gòu)影響較大。主梁下繞程度嚴(yán)重，小車車輪形成“三條腿”現(xiàn)象，長期運行小車易產(chǎn)生疲勞損傷和裂紋。

（6）下繞造成的啃軌現(xiàn)象，會增加運行阻力，加速車輪、軌道磨損。啃軌運行產(chǎn)生較大的側(cè)向力，主要集中在端梁頭部的橫向加筋板處，久而久之使端梁容易開焊或產(chǎn)生裂紋。

（7）對主梁和端梁連接處的影響。主梁下繞引起啃軌，是橋架頻繁地由矩形向平行四邊形交變，主梁和端梁的T 形連接處，豎向角焊縫抵抗此類變形的能力很差，久之必產(chǎn)生危害。

3 預(yù)防措施

（1）起重機供貨單位根據(jù)使用單位設(shè)備的利用等級和載荷狀態(tài)，合理選定起重機的額定起重量和工作級別。

（2）嚴(yán)禁超載使用。

（3）在高溫區(qū)域作業(yè)時，下翼緣板采取隔熱措施；不用時不能停放在高溫區(qū)域。

（4）嚴(yán)格遵守定期檢驗制度，加強日常檢查。

4 結(jié)術(shù)語

主梁作為起重機械的重要構(gòu)件，了解其下?lián)系某梢蚝彤a(chǎn)生的危害，對于預(yù)防起重機械事故的發(fā)生和保障生命財產(chǎn)安全具有重要意義。