橋式起重機箱形主梁的失效研究

馮保生

（遵義市特種設(shè)備檢驗所，遵義 563000）

橋式起重機箱形主梁是橋式起重機的重要組成部分，是一種橫跨于起重機兩側(cè)的主要結(jié)構(gòu)，用于支撐和承載起重機的運行和起重作業(yè)。箱形主梁通常由鋼材制成，具有較高的強度和剛度。它的形狀呈箱狀，由上下兩個平行的梁板和連接這兩個梁板的立柱和腹板組成。箱形結(jié)構(gòu)使得主梁具有較高的承載能力和抗彎性能。橋式起重機的兩個主梁通過一組橫梁或軌道連接在一起，形成橋式結(jié)構(gòu)。起重機的行走機構(gòu)和起升機構(gòu)安裝在主梁上，通過主梁的行走和起升運動實現(xiàn)起重作業(yè)。由于箱形主梁容易受多種因素影響導(dǎo)致失效，必須重點分析。

1 橋式起重機箱形主梁的失效形式及原因分析

1.1 彎曲失效形式及原因分析

橋式起重機箱形主梁的彎曲失效形式通常包括3種。第一，彎曲破裂。主梁受到過大的彎曲力矩而發(fā)生破裂，可能由超載、意外負荷或設(shè)計缺陷引起[1]。第二，塑性變形。主梁受到彎曲力矩而發(fā)生塑性變形，超出其可接受的變形范圍，可能由長期使用、過載或材料疲勞引起。第三，屈曲失穩(wěn)。主梁受到過大的彎曲力矩而發(fā)生屈曲失穩(wěn)，可能由設(shè)計不合理、材料強度不足或長期受力引起。

導(dǎo)致箱形主梁彎曲失效的主要原因分為5 點。第一，超載。主梁承受的負荷超出其設(shè)計載荷能力，導(dǎo)致彎曲力矩過大。第二，材料質(zhì)量問題。主梁的材料強度不足、質(zhì)量不合格或存在缺陷，使其無法承受預(yù)期的彎曲力矩。第三，設(shè)計缺陷。主梁的設(shè)計存在缺陷，如斷面尺寸過小、連接方式不合理等，導(dǎo)致其無法有效抵抗彎曲力矩。第四，疲勞損傷。長期使用或頻繁受力導(dǎo)致主梁材料出現(xiàn)疲勞損傷，降低了其抵抗彎曲力矩的能力。第五，不當(dāng)使用。錯誤的操作或使用方式，如突然改變負荷方向、頻繁超載等，會導(dǎo)致主梁受到過大的彎曲力矩。

若要避免箱形主梁出現(xiàn)彎曲失效的情況，應(yīng)注意合理使用和維護，確保負荷在設(shè)計范圍內(nèi)，并定期檢查主梁的材料和結(jié)構(gòu)狀態(tài)，及時修復(fù)或更換受損部分。另外，在設(shè)計和制造過程中，應(yīng)嚴格遵守相關(guān)標(biāo)準和規(guī)范，確保主梁的強度和穩(wěn)定性。

1.2 疲勞失效形式及原因分析

橋式起重機箱形主梁的疲勞失效形式通常包含裂紋的形成和擴展，最終導(dǎo)致主梁斷裂。疲勞失效的主要原因如圖1 所示。第一，周期性加載。橋式起重機在工作中會受到周期性加載，如起重物的吊起和落下，這種循環(huán)加載會導(dǎo)致主梁受到反復(fù)應(yīng)力的作用，從而加速疲勞裂紋的形成和擴展。第二，過載。當(dāng)起重機超過額定工作負荷、頻繁進行超載工作時，主梁的受力將超過其設(shè)計極限，從而引起疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展。第三，材料缺陷。主梁的材料存在缺陷，如內(nèi)部夾雜物、孔洞等，這些缺陷會導(dǎo)致主梁的強度和韌性下降，容易引發(fā)疲勞斷裂。第四，不當(dāng)使用和維護。如果起重機的操作者不按照正確的操作規(guī)程使用，或者忽視對主梁的定期檢查和維護，如未及時修復(fù)表面的腐蝕和損傷，會導(dǎo)致主梁壽命降低，出現(xiàn)疲勞失效。

圖1 疲勞失效原因

為了預(yù)防橋式起重機箱形主梁的疲勞失效，延長其使用壽命，應(yīng)定期對主梁進行全面檢查，包括外觀、焊接接頭、內(nèi)部缺陷等，發(fā)現(xiàn)問題及時修復(fù)。同時，確保起重機在額定工作負荷范圍內(nèi)使用，避免頻繁超載[2]。主梁的設(shè)計和選材應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準和要求，確保其強度和韌性。另外，還應(yīng)對起重機的操作人員進行培訓(xùn)，使其能夠正確操作和維護起重機。

1.3 腐蝕失效形式及原因分析

橋式起重機箱形主梁的腐蝕失效形式主要有4 種。第一，表面腐蝕。主梁表面受到外界環(huán)境中的氧氣、水分和腐蝕介質(zhì)等的侵蝕，導(dǎo)致表面金屬發(fā)生氧化、銹蝕等現(xiàn)象。第二，孔蝕。在主梁表面或內(nèi)部的孔洞處發(fā)生腐蝕，形成孔蝕缺陷。這種腐蝕失效形式通常是介質(zhì)中的腐蝕物質(zhì)在孔洞處聚積，導(dǎo)致局部腐蝕。第三，焊縫腐蝕。主梁焊接處的焊縫容易受到腐蝕影響，導(dǎo)致焊縫區(qū)域發(fā)生腐蝕失效。第四，底部腐蝕。主梁底部長期受到潮濕環(huán)境、積水等因素的影響，容易發(fā)生腐蝕。

導(dǎo)致箱形主梁腐蝕失效的主要原因如圖2 所示。第一，環(huán)境因素。主梁長期處于高溫、高濕、強酸堿性或含有腐蝕物質(zhì)的環(huán)境中，容易導(dǎo)致腐蝕失效。第二，材料選擇不當(dāng)。主梁材料的選擇不合理，如使用的鋼材抗腐蝕性能較差，容易導(dǎo)致腐蝕失效。第三，表面處理不當(dāng)。主梁表面的防腐涂層質(zhì)量不過關(guān)或未按照要求進行定期維護，使得主梁表面容易受到腐蝕。第四，焊接質(zhì)量問題。主梁焊接處的焊縫質(zhì)量不過關(guān)，如焊接接頭處出現(xiàn)銹蝕、氧化等現(xiàn)象，容易導(dǎo)致腐蝕失效。

圖2 焊接失效原因

為了減少主梁的腐蝕失效，需要選擇抗腐蝕性能較強的材料，并采取有效的防腐措施。例如，定期檢查和維護主梁表面的防腐涂層，加強焊接工藝控制，以及控制工作環(huán)境的濕度和腐蝕物質(zhì)的接觸等。

1.4 焊接失效形式及原因分析

橋式起重機箱形主梁的焊接失效形式主要包括4 種。第一，焊縫開裂。焊縫在受力條件下發(fā)生斷裂，通常是焊接過程中出現(xiàn)焊接缺陷、材料質(zhì)量問題或者受到過大的外力作用導(dǎo)致[3]。第二，焊接接頭斷裂。焊接接頭處發(fā)生斷裂，通常是焊接接頭設(shè)計不合理、焊接質(zhì)量差、應(yīng)力集中等原因。第三，焊縫腐蝕。焊縫受到腐蝕，通常由受外界環(huán)境的腐蝕介質(zhì)、濕度、溫度等因素的影響。第四，焊接變形。焊接過程中產(chǎn)生的熱變形或冷卻過程中的殘余應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，通常由焊接工藝控制不當(dāng)、焊接時產(chǎn)生的應(yīng)力未得到合理消除等原因引起。造成焊接失效形式的原因主要包括焊接工藝不合理、焊接質(zhì)量差、材料質(zhì)量問題、受力過大和環(huán)境腐蝕等。為了避免焊接失效問題，需要在焊接過程中嚴格控制焊接工藝，選擇優(yōu)質(zhì)材料，合理設(shè)計焊接接頭，并進行必要的檢測和維護工作。

1.5 開裂失效形式及原因分析

當(dāng)橋式起重機箱形主梁出現(xiàn)疲勞失效、彎曲失效、腐蝕失效后，如果未得到及時處置，便有可能導(dǎo)致主梁開裂[4]。第一，疲勞失效導(dǎo)致開裂。主梁長期受到重載荷載和頻繁工作循環(huán)的影響，主梁中的金屬材料會發(fā)生疲勞損傷，導(dǎo)致開裂失效。第二，彎曲失效導(dǎo)致開裂。主梁在受到不均勻荷載或過載作用時會出現(xiàn)彎曲變形，超出其承載能力，從而導(dǎo)致開裂失效。第三，沖擊引發(fā)的開裂。主梁在起重操作中，由于負載的突然變化或碰撞力的作用，產(chǎn)生沖擊載荷，超出主梁的強度極限，引發(fā)開裂失效。第四，腐蝕失效導(dǎo)致開裂。主梁長期暴露在潮濕、腐蝕環(huán)境中，如海洋、化工廠等，會引起金屬材料的腐蝕，導(dǎo)致開裂失效。

造成此種失效形式的原因分為4 條。第一，設(shè)計不合理。主梁的設(shè)計參數(shù)、截面形狀和尺寸選擇不當(dāng)，無法滿足實際工況下的承載要求，導(dǎo)致開裂失效。第二，制造質(zhì)量問題。主梁在制造過程中存在焊接缺陷、材料質(zhì)量不達標(biāo)等問題，使主梁的強度和韌性受到影響，容易發(fā)生開裂失效。第三，過載使用。主梁長期承受超負荷工作，超出其設(shè)計承載能力，導(dǎo)致開裂失效。第四，維護保養(yǎng)不當(dāng)。主梁未按要求進行定期檢查、維護和保養(yǎng)，導(dǎo)致潛在缺陷無法及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)，從而引發(fā)開裂失效。

為了避免橋式起重機箱形主梁的開裂失效，需要合理設(shè)計、選擇合適的材料、加強制造質(zhì)量控制，嚴格按照操作規(guī)程使用，并定期進行維護和保養(yǎng)。

2 橋式起重機箱形主梁失效案例分析

2.1 某橋式起重機箱形主梁失效分析

2.1.1 失效形式及主要缺陷

某鑄造企業(yè)購置一臺用于吊運熔融金屬的通用橋式起重機，運行2 年后發(fā)現(xiàn)其運轉(zhuǎn)效率降低，且常出現(xiàn)較大異常聲響，初步判斷其在一定程度上存在失效問題。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)，該起重機的主梁腹板與大車運行機構(gòu)減速器連接的底板處出現(xiàn)明顯裂紋。對該處裂紋進行焊補處理后，失效現(xiàn)象依然未能得到解決。

2.1.2 導(dǎo)致失效的原因分析

針對焊補處理后并未達到理想效果的現(xiàn)狀進行深度原因分析。經(jīng)探查后得知，在出現(xiàn)本次失效故障前約5 個月，檢修人員便已經(jīng)發(fā)現(xiàn)主梁腹板與減速器連接底板處出現(xiàn)裂紋。為防止裂紋進一步擴大，當(dāng)時采用焊接方式進行加固。此舉雖然暫時解決了失效問題，恢復(fù)了設(shè)備功能，但是焊接作業(yè)屬于局部加熱，會導(dǎo)致局部金屬在高溫環(huán)境下液化。在金屬材料高溫液化、低溫固化的過程中，金屬主體實際上會持續(xù)受到拉應(yīng)力，為后續(xù)出現(xiàn)裂縫埋下隱患。

2.2 處理箱形主梁焊接失效的方法

檢修人員經(jīng)過分析后，認為案例中的失效屬于焊接失效，于是繼續(xù)采用焊接修補作業(yè)，但是適當(dāng)加入同類型金屬填補，以降低設(shè)備修補后受到的內(nèi)部拉應(yīng)力，避免后續(xù)再出現(xiàn)同類型失效。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)首先檢查焊接接頭的裂紋、疲勞、變形或脫焊等情況，確定焊接失效的程度，并根據(jù)失效程度決定是否需要修復(fù)或更換焊接接頭。其次，使用合適的清潔劑和工具，將焊接接頭表面的污垢、銹蝕和涂層等物質(zhì)清除干凈，確保焊接接頭表面干凈、光滑[5]。最后，根據(jù)焊接失效的具體情況選擇合適的修復(fù)方法，如重新焊接、加固支撐、更換焊接接頭等。

3 結(jié)語

橋式起重機箱形主梁的設(shè)計和制造需要考慮起重機的額定載荷、工作環(huán)境和使用要求，其需要具備足夠的強度和剛度，以確保起重機的安全運行和穩(wěn)定起升。在實際應(yīng)用時，橋式起重機箱形主梁常見的失效形式包括但不限于彎曲失效、疲勞失效、腐蝕失效、焊接失效和開裂失效。當(dāng)發(fā)現(xiàn)箱形主梁失效時，應(yīng)及時查明具體形式及原因，進行針對性處理，恢復(fù)箱形主梁的功能，最終達到延長設(shè)備壽命、提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量的目的。