63 t通用橋式起重機(jī)端梁開(kāi)裂機(jī)理與對(duì)策研究

馮 俊 羅會(huì)信 黨 章 張正本 徐衛(wèi)文

1武漢鋼鐵有限公司 武漢 430000 2武漢科技大學(xué) 武漢 430000

0 引言

某鋼廠63 t通用橋式起重機(jī)于2006年建成投入生產(chǎn)，2014年因生產(chǎn)工藝條件改變由廠房北側(cè)拆解并安裝至廠房南側(cè)，2018年4個(gè)角主梁與端梁連接銷(xiāo)軸上方附近內(nèi)外均出現(xiàn)不同程度的裂紋，臨時(shí)采取了焊接加固措施。近期此處裂紋開(kāi)始出現(xiàn)重復(fù)萌生并發(fā)展較快，尤其以東北角裂紋最為嚴(yán)重，長(zhǎng)度已超過(guò)端梁連接銷(xiāo)軸中心線，并有一度延伸至端梁腹板車(chē)輪處的趨勢(shì)，急需對(duì)裂紋開(kāi)裂機(jī)理進(jìn)行分析，并制定針對(duì)性的加固方案。

1 幾何測(cè)試

1.1 起重機(jī)車(chē)輪直線度

采用激光直線儀對(duì)車(chē)輪直線度進(jìn)行測(cè)量，西北角車(chē)輪、西南角車(chē)輪、東北角車(chē)輪與軌道中心線的偏差值測(cè)量結(jié)果分別為1.5 mm、3.5 mm、8.5 mm、0.5 mm。

1.2 車(chē)體方框

采用激光直線儀和激光水準(zhǔn)儀對(duì)車(chē)輪直線度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 車(chē)體方框測(cè)量結(jié)果 mm

1.3 幾何測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)GB/T 14405—2011《通用橋式起重機(jī)》規(guī)定，帶輪緣車(chē)輪水平偏斜ΔF應(yīng)滿(mǎn)足GB/T 10183.1—2018《起重機(jī) 車(chē)輪及大車(chē)和小車(chē)軌道公差 第1部分：總則》中規(guī)定的2級(jí)公差，即滿(mǎn)足0.4e以?xún)?nèi)，e為2個(gè)車(chē)輪軸線之間或臺(tái)車(chē)之間的中心距，本起重機(jī)相鄰車(chē)輪中心距為2.25 m，端梁中心距為4.5 m。由表1可知，東、西端梁相鄰2車(chē)輪或端梁間車(chē)輪水平偏斜量超出規(guī)范要求。

在方框測(cè)量中，GB/T 14405—2011《通用橋式起重機(jī)》中規(guī)定，帶輪緣車(chē)輪中心之間的跨度公差A(yù)≤f5.5 mm，橋架及雙梁門(mén)架對(duì)角線差≤5 mm。本次測(cè)得南主梁跨度偏差值為12.5 mm，超出跨度允許偏差值，南北主梁跨度相對(duì)差為11 mm，超出偏差范圍內(nèi)；對(duì)角線相對(duì)差為23 mm，大于規(guī)定值5 mm。由此可見(jiàn)，該起重機(jī)的大車(chē)方框不合格。

2 應(yīng)力測(cè)試

2.1 應(yīng)力測(cè)試目的

應(yīng)力測(cè)試主要用于了解端梁金屬結(jié)構(gòu)的工作特性和應(yīng)力水平，找出起重機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的力能參數(shù)分布和應(yīng)力狀況，進(jìn)一步研究引起現(xiàn)場(chǎng)疲勞形式破壞的根本原因，以便制定有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)加固方案。結(jié)合數(shù)值仿真理論計(jì)算，為該起重機(jī)的安全性評(píng)估和整改提供依據(jù)，最終提高易疲勞區(qū)域的抗疲勞能力。本次測(cè)試采用無(wú)線動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試方式，測(cè)試工況為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作狀態(tài)。

2.2 應(yīng)力測(cè)試部位

為了獲取東、西端梁各危險(xiǎn)部位的應(yīng)力狀況，選取東北、東南端梁外腹板與中間端梁連接上橫筋板根部（裂紋起源區(qū)域）布置應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)；選取4個(gè)端梁外腹板中部靠近大筋板（銷(xiāo)軸端）布置橫向單片；選取中間端梁外腹板中部布置橫向單片；選取東中間端梁上卡板（內(nèi)腹板側(cè)）側(cè)面布置橫向單片，西中間端梁上卡板側(cè)面布置4個(gè)橫向單片（內(nèi)、外腹板各2個(gè)）；選取南主梁跨中上蓋板布置沿跨度方向單片；選取西北端梁上蓋板（與北主梁連接處）布置南北方西單片。

2.3 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

如圖1所示，經(jīng)測(cè)試可知東北平衡端梁與中間端梁連接區(qū)域應(yīng)力整體水平較高，達(dá)到或接近材料屈服極限，主起升運(yùn)行及小車(chē)運(yùn)行對(duì)該區(qū)域應(yīng)力無(wú)影響，大車(chē)運(yùn)行尤其是大車(chē)啟動(dòng)作用時(shí)對(duì)該區(qū)域影響較大，單次工況循環(huán)應(yīng)力變化幅值4次超過(guò)50 MPa，最大差值為117.6 MPa。同時(shí)，大車(chē)運(yùn)行過(guò)程前后測(cè)點(diǎn)的受力狀態(tài)發(fā)生變化，表明大車(chē)運(yùn)行過(guò)程會(huì)改變端梁的受力狀態(tài)。

圖1 東北端梁連接應(yīng)變花最大主應(yīng)力歷程曲線

由測(cè)試結(jié)果可知，東南平衡端梁與中間端梁連接區(qū)域應(yīng)力整體水平較東北端梁相應(yīng)區(qū)域要小很多，主起升運(yùn)行及小車(chē)運(yùn)行對(duì)該區(qū)域應(yīng)力無(wú)影響，大車(chē)運(yùn)行尤其是大車(chē)啟動(dòng)作用時(shí)對(duì)該區(qū)域有一定影響，單次工況循環(huán)應(yīng)力變化幅值最大差值為44 MPa。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)幾何測(cè)試結(jié)果，東北測(cè)點(diǎn)下方的大車(chē)車(chē)輪軸線偏斜（-8.5 mm）程度較東南測(cè)點(diǎn)(-0.5 mm)下方車(chē)輪嚴(yán)重很多，且現(xiàn)場(chǎng)端梁外腹板變形嚴(yán)重，大車(chē)車(chē)輪磨損嚴(yán)重，表明該起重機(jī)啃軌現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

2.4 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，該起重機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中承受的外載荷作用力較小，橋架主梁金屬結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力水平較低，且起重機(jī)在起吊重物過(guò)程中應(yīng)力幅值變化較小。由于橋架結(jié)構(gòu)及端梁變形嚴(yán)重，大車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生較大的附加側(cè)向力，使端梁結(jié)構(gòu)在垂向平面內(nèi)承受2個(gè)方向的復(fù)雜彎曲作用，此作用載荷在各端梁與中間端梁連接水平筋板尖端部位（應(yīng)力突變部位，水平剛度突變部位）得到明顯放大。根據(jù)某隨機(jī)工況循環(huán)下的實(shí)測(cè)結(jié)果，東北端梁與中間端梁連接應(yīng)變花貼片處（現(xiàn)場(chǎng)裂紋最嚴(yán)重處）最大主應(yīng)力值達(dá)到240 MPa，東南端梁與中間端梁連接應(yīng)變花最大主應(yīng)力值達(dá)到50 MPa，實(shí)測(cè)應(yīng)力值達(dá)到或已超過(guò)橋架金屬結(jié)構(gòu)材料（Q235）屈服極限，故大車(chē)運(yùn)行過(guò)程中端梁局部區(qū)域較高的應(yīng)力載荷狀態(tài)是端梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)裂紋的主要原因。

3 橋架有限元分析

3.1 已知參數(shù)

該起重機(jī)橋架質(zhì)量為84.31 t，主小車(chē)自重為25.6 t，跨度為37.5 m，主梁材料為Q235，密度為7.8h103t/mm3，屈服極限為235 MPa，許用應(yīng)力為177 MPa，彈性模量E為2.06h105MPa，泊松比為0.3。

3.2 有限元模型的建立

1）單元的選擇

以該起重機(jī)的橋架為計(jì)算對(duì)象，主梁與端梁均為箱形結(jié)構(gòu)。主梁與端梁的上下蓋板與腹板、中間的筋板均采用Abaqus殼單元進(jìn)行建模，軌道及鉸支座連接板均采用Abaqus實(shí)體單元進(jìn)行建模。

2）邊界條件

創(chuàng)建包含大車(chē)運(yùn)行軌道的橋架整體模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)端梁車(chē)輪及軌道進(jìn)行接觸設(shè)置，以充分反映車(chē)輪與軌道之間的實(shí)際作用，并在軌道下表面進(jìn)行全約束。

3）計(jì)算載荷

活動(dòng)載荷：起重量預(yù)估Q＝4.4 t，小車(chē)自重Gxc＝25.6 t；固定載荷：主梁自重(有限元軟件自動(dòng)計(jì)算)；端梁車(chē)輪施加起重機(jī)車(chē)輪直線度實(shí)測(cè)軸向位移值。

4）計(jì)算載荷工況

該起重機(jī)的主梁有限元模型如圖2所示。工況1：計(jì)算當(dāng)活動(dòng)載荷為30 t并處于跨中時(shí)，同時(shí)計(jì)入橋架自重的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移，以模擬該起重機(jī)理想狀態(tài)下的受力情況。工況2：考慮載荷工況1，并對(duì)端梁車(chē)輪施加實(shí)測(cè)軸向位移值，以模擬該起重機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)缺陷情況下的真實(shí)受力情況。

5）節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)量

節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 079 423，單元數(shù)量為985 881。

3.3 計(jì)算結(jié)果

1）工況1

在工況1下，小車(chē)（小車(chē)加載Q＝30 t）處于跨中時(shí)橋架的變形、橋架的彎曲應(yīng)力均未超標(biāo)（見(jiàn)圖3），活動(dòng)載荷在跨中時(shí)平衡端梁與中間端梁連接筋板尖點(diǎn)處的主應(yīng)力（裂紋起源處）值為0.97 MPa。

圖3 活動(dòng)載荷在跨中時(shí)東北端梁等效應(yīng)力圖

2）工況2

在載荷工況2下，小車(chē)（小車(chē)加載Q＝30 t）處于跨中時(shí)且計(jì)入平衡端梁車(chē)輪軸向偏移時(shí)橋架的變形、應(yīng)力分別見(jiàn)圖4、圖5，東北端梁等效應(yīng)力見(jiàn)圖6，平衡端梁與中間端梁連接筋板尖點(diǎn)處的主應(yīng)力如圖7所示。

圖4 載荷工況2時(shí)橋架Z向變形圖

圖5 載荷工況2橋架的總體應(yīng)力圖

圖6 載荷工況2下蓋板等效應(yīng)力圖

圖7 平衡端梁與中間端梁連接筋板尖點(diǎn)處的主應(yīng)力圖

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

在跨中起吊4.4 t載荷的工況下，該起重機(jī)理論理想工況下整個(gè)主梁框架金屬結(jié)構(gòu)承受的載荷水平較低，平衡端梁與中間端梁連接筋板處應(yīng)力僅為1 MPa。在實(shí)際中，當(dāng)端梁出現(xiàn)變形導(dǎo)致車(chē)輪不在同一個(gè)平面上，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)車(chē)輪軸向偏離值加載在有限元模型中時(shí)，端梁區(qū)域產(chǎn)生較大的載荷作用。有限元分析的計(jì)算工況2與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際起重機(jī)運(yùn)行情況相對(duì)應(yīng)，數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果為194.3 MPa，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)的實(shí)測(cè)值接近，表明計(jì)算模型正確，計(jì)算方法合理。

4 端梁加固方案及加固后有限元建模

4.1 端梁加固方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果得出，主梁橋架方框產(chǎn)生變形，端梁腹板不在同一個(gè)平面上，導(dǎo)致車(chē)輪在同一個(gè)平面上的偏離值較大，大車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生較大的側(cè)向力作用，致使平衡端梁尤其是其與中間端梁連接筋板區(qū)域承受較大的載荷作用，故根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)端梁結(jié)果特點(diǎn)對(duì)端梁腹板進(jìn)行整改加固。

4.2 端梁加固后有限元建模

對(duì)端梁加固后進(jìn)行重新有限元建模，建模后的結(jié)果如圖8所示。將平衡端梁外腹板整改前后應(yīng)力比較，整改前與中間端梁連接處尖點(diǎn)區(qū)域最大應(yīng)力為194.3 MPa，整改后與中間端梁連接處對(duì)應(yīng)區(qū)域最大應(yīng)力為98.02 MPa，結(jié)果如圖9所示。經(jīng)比較得知，應(yīng)力降低49.5%，效果良好。

圖8 端梁加固后橋架有限元模型

圖9 整改后平衡端梁與中間端梁連接處尖點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力分布圖

為驗(yàn)證加固方案的有效性，對(duì)加固后東北外腹板進(jìn)行了應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。經(jīng)測(cè)試可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)加固板對(duì)應(yīng)原始結(jié)構(gòu)開(kāi)裂區(qū)域最大主應(yīng)力為85.8 MPa，有限元計(jì)算值為71.98 MPa，2數(shù)值比較接近，說(shuō)明加固方案合理，加固效果良好。

5 結(jié)論

1）該起重機(jī)東、西端梁相鄰2車(chē)輪或端梁間車(chē)輪水平偏斜量和大車(chē)方框尺寸超標(biāo)。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明其在運(yùn)行過(guò)程中承受的外載荷作用力較小，主梁金屬結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力水平較低，起重機(jī)在起吊重物過(guò)程中，應(yīng)力幅值變化較小。

2）由于橋架結(jié)構(gòu)及端梁變形嚴(yán)重，大車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生較大的附加側(cè)向力，使端梁結(jié)構(gòu)在垂向平面內(nèi)承受2個(gè)方向的復(fù)雜彎曲作用。大車(chē)運(yùn)行過(guò)程中端梁局部區(qū)域較高的應(yīng)力載荷狀態(tài)及較大的幅值變化是使端梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)疲勞裂紋的主要原因。

3）按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)車(chē)輪軸向偏離值加載在有限元模型中時(shí)，端梁區(qū)域產(chǎn)生較大的載荷作用。整改后有限元表明，相同工況下的平衡端梁與中間端梁連接處尖點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力值下降了49.5%，這將使該處的應(yīng)力變程幅值得到相應(yīng)降低，從而大大地增加該處的疲勞壽命，且新增的加固板也具有較大的安全裕度。