臨界設計起重機在驗收中的問題

李 飛，周彥峰

（江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院常州分院，江蘇常州 213016）

0 引言

江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院常州分院在起重機械安裝驗收過程中，審核起重機械圖紙時多次發(fā)現(xiàn)主梁尺寸相對設計偏小。和用戶溝通后，對主梁結(jié)構(gòu)進行尺寸和理論計算復核，同時要求企業(yè)提供相應的設計計算文件資料，發(fā)現(xiàn)存在差異。在征求起重機用戶方同意后，嚴格按照TSG 7016—2016《起重機械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗規(guī)則》[1]進行驗收。載荷試驗后，主要受力結(jié)構(gòu)件無明顯裂紋、永久變形、油漆剝落；機構(gòu)無損壞，連接處無松動。沒有發(fā)現(xiàn)其他異常情況，對于這種設計接近臨界值的起重機，一次現(xiàn)場驗收基本都是通過。然而起重機使用周期長達十幾年，單憑一次載荷試驗不能夠驗證其長態(tài)化的性能狀態(tài)，因此對于這類設備要重視其后期安全性。

1 圖紙審閱

檢驗時，首先要仔細審核圖紙，這樣才能做到心里有底。但現(xiàn)實中很難辨別圖紙的設計是否是臨界設計，因為目前起重機的輕量化設計也是趨勢，對結(jié)構(gòu)的弱化更多是通過電氣和機構(gòu)的設計來減小自重和設計中的沖擊載荷。而且與工作級別以及設計使用壽命等因素有關，檢驗本是就是驗證，只要驗收載荷試驗通過即可。若發(fā)現(xiàn)一個明顯設計尺寸偏小的起重機械，就必須認真審閱圖紙，多參考同類型同級別的起重機設計結(jié)構(gòu)尺寸。

2 主梁結(jié)構(gòu)強度和剛度的計算校核

此類設備，需對結(jié)構(gòu)的強度和剛度及穩(wěn)定性的要求進行校驗審核，確認安全儲備余量。同時校驗計算值也是對以后驗收中的應力值和靜剛度最佳的驗證。對于此類起重機械，應按實物尺寸來計算校核，例如，常州分院在驗收中發(fā)現(xiàn)一臺電動單梁起重機，型號規(guī)格為LD5-18.8A5，圖紙上截面尺寸見圖1，而一般常規(guī)尺寸（參考尺寸）見表1。由此可見主梁結(jié)構(gòu)件尺寸明顯偏小，現(xiàn)場復核該主梁尺寸，用超聲波測厚儀發(fā)現(xiàn)3 處測厚數(shù)據(jù)是4.72 mm，4.75 mm，4.80 mm，取中間值4.72 mm，計算強度、剛度、輪壓值[2-4]。

圖1 主梁截面尺寸

表1 相同規(guī)格截面尺寸

Ix=1.598×109mm4，Iy=3.27×108mm4，Hy=407.357 mm，q=1.5 N/mm。其中，Ix是垂直方向質(zhì)量慣性特性，Iy是水平方向質(zhì)量慣性特性，Hy是水平X 軸質(zhì)心距離，q 是主梁的自重載荷單位值。

2.1 主梁跨中截面整體彎曲強度計算

主梁跨中截面處最大垂直彎矩

P=φiPxc+φjPQ=（1.12×480+1.1442×5000）×9.8≈61 226.48 N[2]。

主梁跨中截面處最大水平彎矩

主梁跨中截面處上蓋板外緣最大彎曲應力

合格。

主梁跨中截面處葫蘆運行工字鋼外緣最大彎曲應力

合格。

2.2 主梁垂直剛度校核

對于移動載荷，因小車輪距較小，可近似按一個集中載荷處理。主梁跨中的靜剛度按簡支梁計算，其計算式為：

式中 Pj——電動葫蘆在額定起升載荷時的總靜輪壓（不計動力系數(shù)）

L——主梁跨度

E——鋼材的彈性模量

[f]——主梁的需用撓度，可取中等精度要求

如技術合同沒有規(guī)定客戶的精度要求，那么按照A3 工作級別，許用擾度[f]=L/700=26.85 mm，更符合要求。

2.3 主梁水平靜剛度校核

2.4 葫蘆局部輪壓值校核

通過輪壓值計算，φ∑=σZ3+σ2=91.63+97.33=188.96 MPa，其中，在許用范圍內(nèi)。

工字鋼外邊緣應力超標。

3 驗收環(huán)節(jié)載荷試驗

設計尺寸接近臨界，現(xiàn)場驗收環(huán)節(jié)很重要，尤其對載荷試驗的要求，因此在驗收前和用戶以及安裝單位充分溝通，載荷一定要滿足要求，額定載荷，1.25 倍載荷，1.1 倍動載，都是符合要求的。同時和理論計算進行比對，見表2，其中，計算值

4 思考和探討

對于臨界設計的起重機，現(xiàn)場驗收后，以下幾點值得探討。

（1）雖然強度和剛度計算校核通過（除局部輪壓應力值），但是理論設計計算是第一步。去除后期的材料、制作工藝、焊接和裝配等方面的不利因素影響，如此接近極限設計還是會影響后期設備運行的安全性。

（2）一次驗收，不能發(fā)現(xiàn)起重機械的累積缺陷-疲勞破壞。例如，工字鋼外邊輪壓值和局部輪壓值超過設計許用值，并不能立即顯現(xiàn)，只有長期使用后，會導致工字鋼外邊疲勞破壞。同時也無法保證客戶后期使用工況不超出設計工況，而臨界設計的起重機，由于安全儲備量少，會加劇這種現(xiàn)象。因此此類設備后期定檢時，應該重視受力構(gòu)件是否開裂、磨損以及主梁下擾問題。

表2 計算和現(xiàn)場載荷的試驗數(shù)據(jù)

（3）應充分了解企業(yè)的實際使用頻繁程度和載荷工況，現(xiàn)在很多起重機整機工作級別都是很籠統(tǒng)定義一下，一般吊運就是A3-A5，較繁重就是A6-A7。很少根據(jù)用戶使用起重機工藝要求，即使用頻繁和載重情況來設計和規(guī)范起重機的工作級別，要根據(jù)用戶的需求使用情況來定義整機工作級別，而對于臨界設計的起重機，更應該明確應力狀態(tài)和應力循環(huán)次數(shù)，發(fā)現(xiàn)主梁結(jié)構(gòu)件工作級別是E4 以上就要重新計算疲勞強度。例如，本文的電動單梁起重機，根據(jù)用戶實際工況，整機工作級別因為A6。下面按實際工況校核疲勞強度[3-4]。

求截面的最大彎矩和最小彎矩，滿載小車在跨中的

圖2 截面疲勞點示意

小車在左端極限位置，右端的支撐反力為

計算疲勞點如圖2 處，離質(zhì)心較遠，又是內(nèi)筋板焊接匯集點。

應力循環(huán)特性

根據(jù)工作級別E6，應力集中等級K 及材料查得

σmax=122.9 MPa＜120 MPa=[σ-1]，不符合，而疲勞破壞是累積破壞。GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》相關要求見表3[4]。可以看出驗收時載荷狀態(tài)相當于縱坐標Q3 或Q4（滿載），起重機使用級別相當于橫坐標U0，查表3 可以看出起重機整機工作級別A1 或者A2 也是符合要求的，顯然不符合客戶的實際工況整機工作級別A6。

（4）對于此類起重機，在后期定檢中一定要重點關注，尤其鋼結(jié)構(gòu)件方面，如果條件允許，最好在下次年檢時做個載荷試驗，測量靜剛度。

（5）根據(jù)客戶實際使用情況，重新核定設備的設計使用壽命，現(xiàn)在很多起重機企業(yè)都是很籠統(tǒng)定義一個起重機的設計使用壽命年限，例如，15 年或者20 年。當達到設計使用壽命，《中華人民共和國特種設備安全法》第四十八條規(guī)定，應通過檢驗或者安全評估，并辦理使用登記證書變更，方可繼續(xù)使用。對于此類臨界設計的起重機，由于強度余量不是太高，設計使用壽命還要根據(jù)用戶實際使用整機工作級別來重新核定，如不對，應降低設計使用壽命年限，達到使用設計壽命后，開展安全評估，為設備筑起一道安全堤壩。

5 結(jié)論

通過本文，可以看出臨界設計的起重機，導致結(jié)構(gòu)強度和剛度儲備余量不足，存在安全隱患。定期檢驗、用戶自檢及維護保養(yǎng)更應該重視結(jié)構(gòu)件的安全。另外，通過靜剛度現(xiàn)場測量和理論計算值的比對，起重機械的設計也需要不斷精細化。有限元設計、極限狀態(tài)法，以及新的設計元件和設計理念引入，對于傳統(tǒng)起重機械設計是一個促進。做好輕量化和臨界設計的有效區(qū)分，找準、找對成本與安全之間的合理契合點。

表3 起重機整機工作級別