基于焊接變形軌道梁上拱度的數值研究

黎 楠 崔貞鵬

(1.湖北水利水電職業技術學院，湖北 武漢 430070；2.武船重型裝備工程有限責任公司，湖北 武漢 430000)

0 前言

能源作為現代經濟社會發展的基礎和制約因數,決定了一個國家的競爭實力和綜合國力,已經成為關系國家和社會安全的重大問題,引起世界各國的高度重視,成為優先考慮的國家戰略。與此同時,綠色GDP、環境友好型的可持續發展成為我國在現代化發展過程新階段中的關鍵課題[1]。水電作為清潔能源逐步引起各國的重視，通常作為水電站運行配套有船閘、壩頂門機等輔助設施，很多水電站受落差的影響，不能配備可行走的壩頂門機，只能配備軌道梁和臺車，設備只需沿一個方向運動，臺車和軌道梁更多的在各種不同的水利工程中使用。

南水北調中線引江濟漢工程進口段位于長江中游荊州市李埠鎮龍洲垸，我公司承接其中防洪閘（兼通航孔）工作門和軌道梁；防洪閘（兼通航孔）工作門作為荊江大堤的重要組成部分，政治和防洪意義影響深遠，防洪閘工作閘門由2×5000kN單向橋式啟閉機操作，負責啟閉機運行和承載重量的2×5000kN橋機軌道梁為中軌布置的箱型焊接簡支結構。軌道梁型號為長39460mm的變截面梁，每根梁的一端布置一對固定鉸支座，另一端布置一對活動支座。

1 問題描述

如圖1所示，軌道梁由上、下翼緣1和6，腹板5，大隔板3，中隔板4和小隔板2等組成；大隔板的作用是為了提高腹板的穩定性，并作為橋機臺車行走軌道的支承，中隔板和小隔板作為橋機臺車行走軌道的支承。

圖1 軌道梁結構圖

按起重機的分類，2x5000KN橋機軌道梁應歸為橋式起重機的類別[2]；軌道梁對應于橋式起重機的橋架，按照國標GB/T14405-93《通用橋式起重機》的規定：主梁應有上拱，跨中上拱度應為（0.9/1000～1.4/1000）S；且最大上拱度應控制在跨中S/10的范圍內（S為兩端部支承點的距離）[3]。

盡管標準規定上拱度為一范圍，但很多設計圖紙均設置一固定的上拱度數值，而且要求產品成形后上拱度偏差不能大于2mm，如此大的軌道梁，節段自重和焊接變形的影響均對上拱度影響很大；在綜合考慮各種因素的作用下，腹板放樣和線性胎架的上拱值取多大將是一個很困難的問題，本文從實際工程出發，根據引江濟漢軌道梁實物的制造過程和后續實物測量的比較，確立上拱度的預放數值。

2 理論計算

軌道梁的上拱度應考慮以下幾個方面對上拱的影響，從而確定具體的數值：設計的上拱度f1、自重f2、焊接變形f3。

2.1 設計選取的上拱度

根據標準（0.9/1000～1.4/1000）S，此處設計選擇的為 1.3/1000S，引江濟漢軌道梁的立柱支承跨度S=37500；

f1=1.3/1000S=1.3/1000×37500=48.75mm。

2.2 自重f2

引江濟漢軌道梁為兩端立柱支承，按照材料力學[4]的結構形式，軌道梁可以簡化為簡支梁結構；

圖中：AB為簡化的兩端支承點；L為支承距離；q為均布載荷；

已知：L=37500mm，q；求最大撓度。

查公式：fmax=5ql4/384EI；

軌道梁重 124173.8kg，則 q=124173.8×9.8/37.5=32450N/m；

彈性模量E，查《機械設計手冊》材料彈性模量及泊松比[5]；碳鋼的彈性模量E=196～206GPa，計算時取E=200；

慣性矩I，軌道梁橫截面圖如圖2。

圖2

將 q、L、E、I帶入撓度公式

fmax=5ql4/384EI=5.17mm；

軌道梁在自重的作用下產生的最大撓度為5.17mm。

2.3 焊接變形

焊接變形不僅與電流、電壓、焊接速度等相關，同時與結構特點及焊接順序和焊接時機有很大關系。要想確定軌道梁焊接變形，重點應考慮焊接順序和焊接時機，下面先介紹軌道梁裝配和焊接的過程。

2.3.1 軌道梁裝配、焊接流程

圖3

（1）隔板部件制造；

（2）上蓋板拼板、探傷后上線性胎架（軌道梁采用反造法，上翼緣面作為胎架面，同時胎架模板線性根據計算估計的撓度值進行布置，此處撓度值已給定，具體在后面敘述）；

（3）上蓋板劃結構定位線、報檢、工字鋼在上蓋板定位；

（4）中隔板定位；

（5）次隔板定位；

（6）左腹板、右腹板定位，中部單元施焊、探傷；

（7）端隔板定位、施焊、探傷、內部涂裝；

（8）下蓋板定位，施焊、探傷（為避免仰焊，此處將工件翻身后焊接）。

2.3.2 焊接時機

在裝配過程中第6步可以看出，軌道梁開始焊接，此時軌道梁的下翼緣未裝配，整個軌道梁的箱型結構在開焊時為“π”形。在內部所有結構焊接完成后裝焊上翼緣板。

2.3.3 主要焊縫對焊接變形的影響

（1）腹板與翼緣的兩條縱向焊縫和通長的工字鋼與翼緣焊接產生焊接應力的變形趨勢為：整條焊縫產生焊接收縮，從而減小撓度；

（2）中隔板和小隔板與上翼緣的橫焊縫產生焊接應力的變形趨勢為：所有橫焊縫產生焊接收縮，從而減小撓度。

2.4 撓度的選擇

總結分析軌道梁的撓度由上述三部分組成。

f=f1+f2+f3(焊接變形)

=48.75+5.17+f3

=53.92+f3

根據上述對焊縫的分析，可以確定焊接后軌道梁的變形趨勢，即焊接應力可能會產生下撓，但具體數值無法確定，為此選擇軌道梁的上拱度數值為60mm，此值可以在實物上測量進行比對。

3 實際測量

3.1 原始數據

軌道梁在出廠驗收時對所有的產品上拱度均進行了檢查驗收。為檢驗和研究軌道梁焊接后上拱度的變化，對其中三件軌道梁的所有隔板位置的上拱度數值進行了測量，測量數據見表1：

表1

說明：1）軌道梁測量時以兩端為基準調平，偏差要求小于2mm；

2）測量位置以梁中間為基準（序號14為中間），左右對稱；

3）上表中每根梁的上下兩行數值為左右對稱位置的數值；

4）測量采用激光經緯儀，上表中讀數為距離水平激光點的距離，每根梁的水平高度不相同。

3.2 數據處理

對表1進行數據處理，以中間點為基準零點，所有數值減去中間點，得出上拱的數值如表2：

表2

4 結果比較

由表2的數據生成圖4。

由表2的數據和圖3所示，可以得出以下結果：

1）三組數據顯示的圖形為拋物線；符合軌道梁上拱的光滑拋物線形狀；

2）三組數據中沒有突變點。

圖4

5 結論

將數據和軌道梁的制造過程結合起來分析，可以確定相類似的軌道梁上拱度預測：

1）實際測量的軌道梁上拱（64mm）超過了預期設置的60mm預拱，與預計值存在偏差；

2）根據實際上拱超過預計值可知，此軌道梁的焊接變形趨勢為上凸而非下凹；

3）大噸位的軌道梁結構剛性非常強，在制作胎架和主梁腹板上拱度設計時重點考慮設計的要求上拱值。

不同結構形式，不同噸位的橋式起重機的主梁或軌道梁的上拱度設置均不相同，本文可作為載重量很大的中厚板箱梁的上拱變化趨勢數值的參考，薄板的橋式起重機主梁與此不相同。

［1］吳蘊臻.優先發展我國水電能源的思考[J].水利經濟，2011.

［2］GB/T14405-1993通用橋式起重機[S].

［3］陳守伯.20/5t雙梁橋式起重機主梁裝配焊接的質量控制[J].北京：起重運輸機械.

［4］范欽珊.材料力學[M].北京：高等教育出版社.

［5］成大先.機械設計手冊[S].北京：化學工業出版社，2011.