450 t鑄造起重機橋架開裂原因分析

嚴愛軍,徐衛文,羅會信,張 偉

(1武漢鋼鐵股份有限公司設備部,湖北 武漢 430083;2武漢科技大學機械自動化學院,湖北 武漢 430081)

武鋼第三煉鋼廠鋼水接受跨14#450 t鑄造起重機是從西班牙引進的一臺重要設備,擔負300 t轉爐爐后鋼水的轉運任務.1996年武鋼第三煉鋼廠投產時便開始投入使用,由于作業率較高,2004年發現橋架金屬結構部分部位出現長度不等的裂紋,存在較大的安全隱患.本文從其結構形式出發,通過現場應力測試與分析,探討裂紋產生的原因.

1450t鑄造起重機的結構形式

該機整體結構形式為四梁四軌式橋架,一個長條型圓柱齒輪減速器的主起升機構.主要由橋架、大車運行機構、450 t主小車、副小車、電氣設備、附屬鋼結構等部分組成(圖1).

圖1 450t鑄造起重機結構圖

1)橋架 起重機橋架由2根主梁、2根副主梁和剛性端梁組成.主梁設計成寬翼緣偏軌箱形梁,截面高度為3600 mm,2塊腹板間距為2700 mm.主梁的2個端部為布置運行機構驅動裝置的機械間,其余部分為布置電氣設備的電氣間,在人行通道2端設電氣間門密封,以防粉塵進入電氣間影響電氣元件的使用壽命.

2)大車運行機構 該機運行機構采用四角獨立驅動,驅動系統布置在主梁端部,其傳動形式為:電機通過齒輪聯軸器驅動1個雙低速軸的中硬齒面圓柱齒輪減速器,萬向聯軸器將減速器的2個低速軸與同一軌道上相鄰的2個車輪軸聯在一起,在電動機末端裝有制動器.

3)450 t主起升機構 450 t主起升機構由2臺600 kW的電動機驅動1個長條型圓柱齒輪減速器的高速軸,在該減速器的2個低速軸上通過卷筒聯軸器帶動2個雙聯卷筒.為保證2套驅動裝置同步運行,減速器2個低速級大齒輪間用惰輪連接.為了減小整機高度,增加小車架剛度,主起升機構的減速器下箱體與主小車架焊為一體,卷筒在直徑方向上有800 mm沉到小車架上平面以下.

4)主小車架 為了減小整機高度,增加小車架剛性,主起升機構減速器下箱體與小車架焊為一體.小車架為整體框架結構,除用螺栓連接的走臺外,主體結構整體制造無連接頭.

5)主小車運行機構 主小車運行機構采用四角獨立驅動,由12個直徑為800 mm的車輪支撐,驅動輪比為1∶3.其傳動形式為:電機通過齒輪聯軸器驅動1個圓柱齒輪、中硬齒面減速器,全齒聯軸器把減速器的低速軸與車輪軸聯在一起.在電動機末端軸上裝有直徑為313 mm的制動器.其特點與大車運行機構基本相同.

6)副小車 80 t副小車為傳統結構形式,由副小車運行機構、副起升機構和小車架組成.

7)起升機構 采用調壓調速方案,運行機構采用變頻調速方案,以改善起重機的使用性能.

2 現場測試

2.1 無損探傷

為了全面了解該起重機的損傷狀況,在現場檢測時對該起重機的橋架金屬結構進行了無損探傷.通過對該鑄造起重機進行全面探傷,發現該起重機橋架金屬結構存在30多處裂紋(圖2),嚴重威脅著該起重機的安全生產.

圖2 14#450 t鑄造起重機裂紋分布圖

探傷結果表明,主梁中部下蓋板及主梁腹板與下蓋板的連接焊縫尚未發現裂紋.但兩端梁內外側及主、端梁連接處的焊縫存在長度不等的裂紋,特別是端梁馬鞍形彎曲處,有些裂紋長達200多 mm,且已擴展到端梁腹板的母材上.

2.2 應力測試

由于450 t鑄造起重機四梁四軌的結構形式特點能有效地保證主梁的強度,因而該起重機主梁機構故障率低,安全性能較好.然而為了保證輪壓的均衡,大車運行機構四個角上的車輪均組裝在一個大平衡臂上,這樣做,雖然可以減少輪壓,但無形中增加了應力集中的部位,端梁拐角處以及平衡臂支鉸處都成為潛在的危險部位,這在很大程度上降低了端梁金屬結構的強度[1-4].

因此,整個測試工作之前,通過分析初步認為:這種結構的起重機金屬結構的設計,尤其是主梁結構的設計,是滿足靜力學需要的;但主梁跨中、端梁拐角處以及平衡臂支鉸處的應力水平需要通過測試來了解.因此現場測試以上述三個部位作為應力測試的關鍵測點.其中,主梁跨中上蓋板主要是彎曲受壓,因此采用單片進行測試;端梁結構受力復雜,待測部位主應力方向未知,故采用三軸45°應變花方式.貼片位置如圖3所示.

圖3 應變片貼片位置

3 測試結果及分析

3.1 靜態應力測試

為了驗證之前初步分析的該起重機關鍵部位的靜強度是合格的這一結論,對該起重機關鍵部位進行了靜態測試,靜態測試數據表明:主梁跨中最大應力為40 MPa,端梁部位的最大等效應力為 105 MPa,最大剪應力為91 MPa,主梁材料Q345的許用拉應力為259 MPa,許用剪應力為149 MPa.因此,該鑄造起重機的靜強度是合格的.

3.2 動態應力測試

由于靜力測試忽略了諸如慣性力等動力因素的影響,不能準確描述起重機的受力狀況.為得到更加全面、準確的應力值,對該起重機進行了動態應力測試.

典型工況下的動態應力歷程信號見圖4～圖9(調零位置:主小車位于橋架南端).工況一,空載主小車從主梁端部開到跨中(圖4).工況二,吊車吊起450 t重物(圖5).工況三,滿載(450 t)主小車開至橋架北端(圖 6、圖7).工況四,滿載(450 t)主小車停在橋架北端不動,大車來回運行(圖8、圖9).

圖4 工況一動1#(單片)信號波形圖

圖5數據顯示,小車滿載時,跨中應力值為40 MPa左右.從圖7可以看出,在小車運行過程中,端梁拐角處的應力相對比較平穩,未出現較大波動,由此說明在起重機工作過程中,小車的位置對端梁拐角處應力的影響并不大.

從圖8可以看出,在0-120 s期間,小車是不動的,然而在圖9的相同時間段內曲線出現了異常波動,且波動范圍較大,應力值達到了40 MPa.由于在此過程中僅大車在運行,因此可以斷定應力波動是由于大車車輪與軌道發生啃軌產生側向力引起的.

從應力波動大小可看出,側向力載荷在該鑄造起重機運行過程中是不可忽略的,它對起重機的正常運行及使用壽命有著重要的影響.

4 結論

本項目研究的四梁四軌結構的鑄造起重機危險部位不同于其他結構形式的起重機出現在主梁跨中部位,而主要是出現在端梁.該鑄造起重機端梁拐角處、平衡臺車連接板和主端梁連接處三大危險部位裂紋產生的主要原因是:大車運行過程中車輪啃軌產生水平側向力使這些部位的應力及應力波動過大而引起的疲勞損傷.在日常生產與維護中,要關注這些部位的工作狀況,以確保安全生產.

[1]魏國前,羅會信.橋式起重機主梁端部受損原因分析與修復處理[J].建筑機械(上半月),2009(10):110-114.

[2]張質文,虞和謙,王金諾,包起帆.起重機設計手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1998.

[3]趙少汴.單軸載荷下的無限壽命疲勞設計方法與設計數據[J].機械設計,1999(9):4-8.

[4]王錫山,趙少汴.機械強度與振動數據庫及強度評價系統[J].中國機械工程,1997(3):49-54.