大車軌道對鑄造起重機(jī)開裂的影響

焦學(xué)勇

1太原重工股份有限公司技術(shù)中心 太原 030024 2礦山采掘裝備及智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030024

0 概述

某鋼廠鋼水接受跨有3臺200/63 t-27 m鑄造起重機(jī)，2008年投入使用，承擔(dān)鋼水罐（180～200 t）和空罐（約50 t）的搬運(yùn)工作。在檢測中發(fā)現(xiàn)，3臺鑄造起重機(jī)平衡架支撐和端梁下蓋板的角焊縫多處開裂，補(bǔ)焊修復(fù)運(yùn)行一段時間后再次開裂，裂紋長度最長處約130 mm，并已延伸到母材，如不及時處理會有極大安全隱患，焊縫開裂情況如圖1所示。

圖1 平衡架支撐焊縫開裂位置

1 大車軌道檢測

鑄造起重機(jī)運(yùn)行過程中水平側(cè)向力過大可能會使平衡架支撐與端梁下蓋板的角焊縫開裂。經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)3臺起重機(jī)均存在偏斜運(yùn)行情況，考慮到鑄造起重機(jī)大車軌道可能存在公差超差，遂用全站儀對大車軌道頂部水平面直線度公差、軌道中心頂部垂直面直線度公差、跨度公差及同一截面高度差等進(jìn)行了檢測。依據(jù)GB/T 10183.1—2010《起重機(jī)車輪及大車和小車軌道公差 第一部分總則》中“表7 公差等級1～4級的大車和小車運(yùn)行軌道及起重機(jī)和小車車輪運(yùn)行公差”有關(guān)條款，對大車軌道各項公差進(jìn)行了等級劃分，結(jié)果如表1所示。

表1 大車軌道檢測結(jié)果 mm

一般地，工作繁忙的鑄造起重機(jī)大車軌道公差等級不能低于2級。若公差超標(biāo)并長期運(yùn)行，會造成鑄造起重機(jī)結(jié)構(gòu)損傷，影響起重機(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

2 應(yīng)力試驗(yàn)

此跨上的3臺鑄造起重機(jī)均為四梁四軌橋架，鉸接端梁，每側(cè)端梁下有10個車輪，左右兩端4個車輪為主動輪，如圖2所示。

圖2 車輪布置示意圖

為了解平衡架支撐在鑄造起重機(jī)運(yùn)行過程中的動應(yīng)力水平，對其中1臺起重機(jī)進(jìn)行了應(yīng)力測試，測點(diǎn)分布如圖3所示。其中，2號測點(diǎn)和4號測點(diǎn)、12號測點(diǎn)和14號測點(diǎn)分別為同一側(cè)軌道上的2對測點(diǎn)；2號測點(diǎn)和12號測點(diǎn)、4號測點(diǎn)和14號測點(diǎn)分別為同一截面上的2對測點(diǎn)。前者在主動輪上的平衡架支撐上，后者在從動輪上的平衡架支撐上，每個測點(diǎn)上布置1個應(yīng)變花，如圖4所示。

圖3 應(yīng)力測點(diǎn)分布圖

圖4 現(xiàn)場測試圖

當(dāng)大車靜止、主小車空鉤位于跨中時，采集儀調(diào)零點(diǎn)，記錄各工況下測點(diǎn)的應(yīng)力變化，測試工況如表2所示，部分測試結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 工況2下2號測點(diǎn)應(yīng)變曲線

圖6 工況2下4號測點(diǎn)應(yīng)變曲線

圖7 工況2下12號測點(diǎn)應(yīng)變曲線

圖8 工況2下14號測點(diǎn)應(yīng)變曲線

從工況2下各測點(diǎn)的應(yīng)變曲線中可以看出，鑄造起重機(jī)運(yùn)行過程中會出現(xiàn)有1個車輪不能與軌道充分接觸的情況，導(dǎo)致其他車輪承受幾乎2倍的輪壓。計算各測點(diǎn)的等效應(yīng)力，分析同一側(cè)軌道上的2個測點(diǎn)，如圖9和圖10所示。

從圖9、圖10中可以看出，2號測點(diǎn)和4號測點(diǎn)等效應(yīng)力變化呈相反趨勢，說明鑄造起重機(jī)運(yùn)行過程中存在著水平側(cè)向力。各測點(diǎn)最大等效應(yīng)力如表3所示。

圖9 2號和4號測點(diǎn)等效應(yīng)力對比1

圖10 2號和4號測點(diǎn)等效應(yīng)力對比2

表3 各測點(diǎn)最大等效應(yīng)力統(tǒng)計 MPa

由表3可知，E軌道上平衡架支撐等效應(yīng)力比D軌道上平衡架支撐等效應(yīng)力大，說明鑄造起重機(jī)運(yùn)行過程中的偏斜運(yùn)行以同一側(cè)端梁下最外側(cè)車輪卡軌運(yùn)行為主。

3 水平側(cè)向力

鑄造起重機(jī)在運(yùn)行過程中與軌道方向垂直的力稱為水平側(cè)向力。由制動載重小車所產(chǎn)生的側(cè)向力是比較次要的，該側(cè)向力是由起重機(jī)大車偏斜運(yùn)行產(chǎn)生的作用在輪緣上的水平力。由于起重機(jī)及大車軌道在制造、安裝、使用時不能達(dá)到完全精準(zhǔn)無誤差的理想情況，故起重機(jī)偏斜運(yùn)行在所難免。根據(jù)起重機(jī)使用情況，可能會出現(xiàn)2種偏斜運(yùn)行即卡軌現(xiàn)象：對角線方向上的2個車輪卡軌、由同一端梁上最外端的2個車輪卡軌，而后者往往是主要的。

水平側(cè)向力的大小與車輪輪壓大小有關(guān)，當(dāng)小車位于跨度某一側(cè)極限位置上，這時該側(cè)的垂直支撐反力最大，其側(cè)向力也最大。

GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定了起重機(jī)偏斜運(yùn)行時水平側(cè)向力的計算公式為

式中：PS為起重機(jī)偏斜運(yùn)行時的水平側(cè)向載荷；ΣP為起重機(jī)承受側(cè)向載荷一側(cè)的端梁上與有效軸距有關(guān)的相應(yīng)車輪經(jīng)常出現(xiàn)的最大輪壓之和，不考慮各種動力系數(shù)；λ為水平側(cè)向載荷系數(shù)，與起重機(jī)跨度S和起重機(jī)基距B（或有效軸距a）的比值S/B（S/a）有關(guān)，根據(jù)圖11 確定。

圖11 水平側(cè)向載荷系數(shù)λ

由于水平側(cè)向力的大小不能直接測量，故而通過有限元計算的方法分析軌道對水平側(cè)向力的影響，研究平衡架支撐與端梁下蓋板焊縫開裂的原因。

4 有限元計算

根據(jù)設(shè)計圖紙建立平衡架支撐、車輪組及軌道在內(nèi)的有限元模型。為便于計算，在不影響計算結(jié)果的前提下，對模型中的部分細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡化。由于端梁非剛性，主、副小車自重及吊重是動載荷，故小車沿軌道運(yùn)行時傳遞到端梁的力是變化的。當(dāng)小車在極限位置時，傳遞到一側(cè)端梁上的力最大，此時車輪承受最大輪壓，最大輪壓分布如圖12所示。

圖12 起重機(jī)輪壓分布圖

選擇以下3種工況進(jìn)行計算：

1）工況1（車輪承受極限輪壓）

主要看鑄造起重機(jī)理想運(yùn)行過程中，車輪只承受極限輪壓而無側(cè)向力的情況下，平衡架支撐部位的應(yīng)力大小。由圖13所示工況1的應(yīng)力云圖可知，正常情況下平衡架支撐受力水平較低，應(yīng)力較大區(qū)域集中在焊縫中間部位，最大為50 MPa。

圖13 工況1應(yīng)力云圖

2）工況2（車輪承受極限輪壓和此輪壓下的水平側(cè)向力）

這是鑄造起重機(jī)運(yùn)行過程中最常出現(xiàn)的情況，計算結(jié)果可反映出大部分起重機(jī)運(yùn)行過程中平衡架支撐的受力情況。由圖14所示工況2的應(yīng)力云圖可知，鑄造起重機(jī)以比較常見的方式運(yùn)行時，平衡架支撐的受力水平依然較低，應(yīng)力較大區(qū)域集中在焊縫外側(cè)兩端，最大為53 MPa。此情況下一般也不會造成平衡架支撐與端梁下蓋板焊縫的開裂。

圖14 計算工況2應(yīng)力云圖

3）工況3（車輪承受雙倍極限輪壓和此輪壓下的水平側(cè)向力）

根據(jù)平衡架支撐應(yīng)力測試結(jié)果可知，在軌道狀態(tài)較差時，鑄造起重機(jī)運(yùn)行過程中會出現(xiàn)1個車輪承受雙倍極限輪壓的情況，再加上此輪壓下的水平側(cè)向力，平衡架支撐受力最大，這是最不利的工況。

由圖15所示工況3應(yīng)力云圖可知，在最不利工況下，測試部位計算應(yīng)力為41 MPa，與試驗(yàn)應(yīng)力42 MPa相差不大，說明鑄造起重機(jī)在以最不利的工況運(yùn)行。此時，平衡架支撐焊縫處外側(cè)兩端的最大應(yīng)力已達(dá)到108 MPa，在這種狀態(tài)下起重機(jī)長期運(yùn)行，極易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。在現(xiàn)場檢測時發(fā)現(xiàn)，裂紋產(chǎn)生于外側(cè)一端，向周圍擴(kuò)展。

5 驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述研究結(jié)果的正確性，根據(jù)大車軌道檢測結(jié)果，選擇一段狀況不良的軌道進(jìn)行測試，此時主小車吊空罐位置靠近司機(jī)室側(cè)，大車從10號柱行走到11號柱。4號測點(diǎn)等效應(yīng)力如圖16中紅框所示。此時，4號測點(diǎn)最大等效應(yīng)力達(dá)到試驗(yàn)最大值42 MPa。

圖16 4號測點(diǎn)等效應(yīng)力圖

如圖17所示，當(dāng)4號測點(diǎn)等效應(yīng)力最大達(dá)到42 MPa時，14號測點(diǎn)等效應(yīng)力接近于0，說明此時14號測點(diǎn)的車輪與軌道沒有充分接觸，導(dǎo)致4號測點(diǎn)的車輪承受著雙倍的輪壓和此輪壓下的水平側(cè)向力。

圖17 4號和14號測點(diǎn)等效應(yīng)力對比

6 結(jié)論

由于大車軌道同一截面高低差及跨度公差超差，鑄造起重機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)了偏斜運(yùn)行的情況，主要以同一側(cè)端梁上最外側(cè)車輪卡軌運(yùn)行為主，使該側(cè)車輪運(yùn)行時受到較大水平側(cè)向力。由于大車軌道中心頂部垂直面直線度公差嚴(yán)重超差，使鑄造起重機(jī)運(yùn)行至軌道高低差相差較大區(qū)域時有1個車輪不能與軌道充分接觸，導(dǎo)致其他車輪中的某個以幾乎2倍正常輪壓運(yùn)行。由于水平側(cè)向力與輪壓大小有關(guān)，使該車輪承受的水平側(cè)向力也成倍增加。有限元計算結(jié)果表明：在最不利工況下，平衡架支撐與端梁下蓋板焊縫處最大應(yīng)力達(dá)到108 MPa，在這種狀態(tài)下起重機(jī)長期運(yùn)行，極易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，上述研究結(jié)果在后續(xù)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。