橋式起重機(jī)主梁上翼緣板裂紋分析

吳小蘭 史劍峰

摘要：分析某管樁制造企業(yè)橋式起重機(jī)主梁上翼緣板裂紋產(chǎn)生的原因為跨中起重作業(yè)頻繁、應(yīng)力集中，同時軌道接頭部位也處于跨中，在輪壓作用下，上翼緣板受交變剪切應(yīng)力作用，材料疲勞開裂。

同時提出切實可行的修復(fù)要點，為管樁制造企業(yè)起重機(jī)安全作業(yè)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī)；上翼緣板；疲勞裂紋；交變剪切應(yīng)力

概論

近期筆者在某管樁制造企業(yè)離心機(jī)車間起重機(jī)定檢是發(fā)現(xiàn)該起重機(jī)上翼緣板出現(xiàn)裂紋，筆者當(dāng)即通知該企業(yè)停止使用，并根據(jù)該企業(yè)作業(yè)特性及起重機(jī)上翼緣板受力、軌道布置等情況對裂紋的成因進(jìn)行分析，提出了修復(fù)要點及注意事項，對管樁制造企業(yè)起重機(jī)安全作業(yè)具有重要的意義。

1.起重機(jī)情況和裂紋描述

1.1 現(xiàn)場起重機(jī)情況

該臺型號為QD7.5+7.5-21.5A6的偏軌箱形梁橋式起重機(jī)自2005年06月起用于該管樁企業(yè)離心機(jī)車間吊運(yùn)管樁，其工作級別為A6級，實際作業(yè)特點是作業(yè)頻繁，滿載率高，繁忙時連續(xù)24小時作業(yè)，實際使用等級達(dá)到A7級，而且小車軌道接口正處于跨中，此處正是第三道管道模離心機(jī)的位置。

1.2 主梁上翼緣板裂紋描述

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)在兩根主梁小車運(yùn)行軌道接頭部位上翼緣板均有開裂（如圖1），南側(cè)主梁上翼緣板橫向裂紋2個，裂紋長度為45mm和35mm、縱向裂紋2個，裂紋長度為50mm和60mm；北側(cè)主梁上翼緣板橫向裂紋2個，裂紋長度為70mm和30mm；南側(cè)主 梁上翼緣板裂紋向外側(cè)延伸至主梁外側(cè)腹板，裂紋長度為200mm左右。主梁上供度符合要求，主梁下翼緣板情況良好。

圖1

2.主梁上翼緣板裂紋成因分析和修復(fù)要點

2.1上翼緣板開裂點受力分析

該起重機(jī)主梁受自重載荷、額定載荷、起升動載荷（動載系數(shù)取1.2）、慣性載荷、偏斜運(yùn)行側(cè)向力、半偏軌引起的主梁扭轉(zhuǎn)載荷等載荷作用，其最大彎矩在跨中，根據(jù)其主梁內(nèi)力在跨中對主梁點①、②、③（如圖2）形成的復(fù)合應(yīng)力折算數(shù)據(jù)如下：①點：箱形梁上翼緣板受輪壓引起的雙向彎曲作用時，驗算點的折算應(yīng)力為95.8Mpa；②點：箱形梁下翼緣板邊緣折算應(yīng)力為104.5 Mpa；③點：箱形梁下翼緣板縱向焊縫折算應(yīng)力為118.3 Mpa；

圖2

對于Q235-B材料許用應(yīng)力【σ】=235/1.34=176Mpa， ①、②、③點的折算應(yīng)力都小于其材料許用應(yīng)力，且上翼緣板①點折算應(yīng)力小于下翼緣板②點和③點處的折算應(yīng)力，但上翼緣板出現(xiàn)裂紋而下翼緣板邊和縱向焊縫都完好無裂紋，可以看出主梁整體設(shè)計和材質(zhì)并不是上翼緣板裂紋的成因。

2.2 裂紋成因分析

對于偏軌箱形梁式橋式起重機(jī)疲勞裂紋一般發(fā)生在跨中附近的焊縫及焊縫附近母材上及車輪下方或者上方焊縫連接處及熱影響區(qū)因為存在較大交變應(yīng)力和應(yīng)力集中；而該起重機(jī)上翼緣板裂紋正好出現(xiàn)在跨中軌道接縫處（如圖1），軌道下方無墊板。因此輪壓作用引起的剪應(yīng)力交變是裂紋萌生的主要原因，而應(yīng)力集中和高循環(huán)次數(shù)是裂紋擴(kuò)展的主要原因：（1）按照彈塑性接觸理論，該起重機(jī)的起升載荷與移動小車自重構(gòu)成移動載荷由小車通過輪子與軌道接觸將移動載荷傳遞給軌道；軌道又通過與承軌梁的接觸將輪壓以分布載荷的形式傳遞給上翼緣板；一般而言輪壓作用下的應(yīng)力場在沿軌道方向的進(jìn)行衰減，然而在軌道接頭處，車輪的每一次快速駛過等效于一個快速的動態(tài)沖擊載荷，區(qū)段內(nèi)板的應(yīng)力場呈現(xiàn)高頻次的交變，應(yīng)力的交變循環(huán)，在焊接熱影響區(qū)形成一條材質(zhì)劣化帶由于最大剪應(yīng)力經(jīng)常達(dá)到屈服限，當(dāng)加于金屬上的應(yīng)力超過其彈性極限后，在微觀上致使材料不斷劣化構(gòu)成最初裂紋源。（2）同時根據(jù)該企業(yè)作業(yè)頻繁，滿載率高的特性外加其主要作業(yè)區(qū)間正好是跨中，即疲勞裂紋產(chǎn)生后在相當(dāng)大應(yīng)力幅值的交變應(yīng)力作用下達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)后不斷擴(kuò)展，由微小裂紋擴(kuò)大為宏觀裂縫。

2.3 修復(fù)要點

根據(jù)該起重機(jī)上翼緣板裂紋成因和擴(kuò)展機(jī)理及該管樁企業(yè)的作業(yè)特性提出以下修復(fù)要點：

① 因為該起重機(jī)上翼緣板裂紋為疲勞裂紋不得補(bǔ)焊，應(yīng)將原有裂紋板挖去后重新補(bǔ)板；

② 原有軌道接頭處處在跨中且為作業(yè)頻發(fā)區(qū)，應(yīng)將小車軌道重新排布接頭避開此區(qū)域；

③ 原有小車軌道接頭處應(yīng)用連接板的形式螺栓連接，減少交變剪切應(yīng)力。

3.結(jié)束語和建議

筆者發(fā)現(xiàn)并分析為該管樁制造企業(yè)起重機(jī)上翼緣板裂紋為疲勞裂紋并提出了相應(yīng)的修復(fù)要點，同時建議該企業(yè)在日后的生產(chǎn)中應(yīng)定期對該起重機(jī)進(jìn)行外觀檢查，如發(fā)現(xiàn)新的裂紋應(yīng)及時報告和處理，以確保起重作業(yè)安全。

參考文獻(xiàn)：

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[2]董達(dá)善 石來德 《起重機(jī)承軌梁水平裂紋成因》同濟(jì)大學(xué)學(xué)報2001年12期.

[3]GB/T 14405-2011《通用橋式起重機(jī)》.

[4]GB 500172003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》.

作者簡介：吳小蘭（1981.6-），工程師，電氣工程及其自動化專業(yè)。