橋式卸船機前大梁的剛度弱化及預防

翟成群 夏健

摘要：隨著使用年限的增加，金屬材料的蠕變累積導致橋式抓斗卸船機的大梁剛度不斷下降，而蠕變現象目前還沒有成熟的可以用于指導實際生產的理論成果，如何保證前大梁在使用過程中滿足剛度要求，是一個值得研究的問題。本文根據實際的生產經驗及數據分析，制定前大梁的生產工藝，保證前大梁的剛度能夠滿足技術要求。

關鍵詞：橋式卸船機；金屬蠕變；塑性變形；結構剛度

1 前言

實際生產中所用的結構鋼材并非理想的彈性材料，存在蠕變現象，即當承受屈服極限以下的應力作用時，依然會發生微量的塑性變形，并且當持續承受恒定載荷時，塑性變形會不斷累加。隨著塑性變形的積累，導致材料的彈性模量不斷下降，金屬結構的剛度不斷降低。

本文根據前大梁使用過程中的剛度變化數據，分析鋼結構的弱化規律，制定大梁的生產工藝，保證大梁在使用壽命內的剛度能夠滿足技術要求。

2 前大梁的變形分析

2.1載荷循環次數分布

卸船機主小車在前大梁上運行，從碼頭運行到船艙上方，放下抓斗，從船艙抓取物料后，提升抓斗，運行到陸側的漏斗上方，將物料放入到漏斗中，再執行下一個工作循環。

由于船型大小不一，主小車并不是每一個工作循環都要運行到最大外伸距，因此前大梁上不同位置處小車經過的次數不同。根據統計分析，越靠近大梁鉸點處，小車經過的次數越多，基本呈線性變化。

2.2微塑性變形的產生

實際使用的金屬材料不是理想的彈性材料，在承受屈服極限以下的應力時依然會發生微塑性變形，即蠕變。卸船機大梁的微塑性變形 主要包含兩部分：主小車短暫加載造成的微塑性變形 和主小車長時間靜止引起的微蠕變量 。其中 主要取決于材料的微塑性變形抵抗力， 則是大梁在恒定載荷作用下，金屬晶間錯位運動造成的蠕變。微塑性變形量隨著應力作用時間的增加而增大，但通常過一段時間后便會保持在一個定值，當應力環境發生變化時，再隨之變化。

當小車經過前大梁的某一位置時，該點的應力便會增加，大梁產生不可恢復的微量塑性變形。單次經過產生的塑性變形相比于結構的彈性變形及其微小，但經過多次的累計，大梁的變形便會發生巨大的變化，以至于可以用相應的儀器檢測到。因此微塑性變形引起的大梁剛度的變化是一個循環載荷作用下的疲勞累積結果。

2.3微塑性的積累

卸船機大梁在生產制作時會設置預拱度，以抵消自重產生的下撓變形。當主小車空載時，循環次數 =0，微塑性變形 =0，大梁上的小車軌道處于水平狀態。卸船機投產后，小車帶載運行，大梁的應力處于不斷地變化當中，每次變化都會產生微量的塑性變形。當小車運行次數為 時，大梁積累的微塑性變形量為 。隨著投產時間的增加，循環次數達到時 ，大梁微塑性變形增加到 。

由于金屬的蠕變一般不僅與瞬時的應力及變形有關，還與之前加載的歷史有關。隨著應力變化次數的增加，大梁的微塑性變形不斷累積，剛度下降速度不斷加快，當 時， ，應力循環次數與撓度呈非線性關系。

2.4大梁剛度變化分析

金屬材料在非屈服狀態下主要表現為線彈性，大梁在載荷作用下除了會產生微量的塑性變形外，主要變形為彈性變形，即卸載后，絕大部分的變形會消失。當帶載主小車運行至大梁鉸點與拉桿鉸點的中間位置時，前大梁撓度最大，其計算公式為：

式中：

為作用載荷， 為大梁鉸點與拉桿鉸點間距， 為大梁橫截面的慣性矩， 為材料的彈性模量。

根據測量數據的分析，大梁在使用后期，在同樣位置的相同載荷作用下，其下撓變形比剛投產時明顯增加。根據上述公式可以看出，在其它參數不變的情況下，只有材料的彈性模量E的下降才會導致大梁剛度的下降。

隨著使用次數的積累，大梁的微量塑性變形不斷增加，導致其剛度不斷下降，相同載荷在相同位置時，大梁的下撓變形變大。

3 卸船機大梁制作步驟

3.1拼板

卸船機大梁尺寸較大，制作時一般需要板材拼接。根據大梁尺寸和拼接板材，采用埋弧焊焊接拼板焊縫，目的是為下一步大梁腹板整體放樣切割拱度曲線做準備。

1）根據圖紙和工藝拼板圖的要求拼板，檢查鋼板的牌號、規格、鋼板號、爐批號、構件圖號，做好質量記錄。

2）引、熄弧板的安裝：①、同材質；②、同板厚；③、坡口一致；④、規格100×80mm；⑤、引弧長度≥50mm。

3）拼板翻身焊接：拼板背面清根后，進行埋弧焊焊接作業。

4）無損探傷檢測：按AWS D1.1 標準100%UT及RT探傷比例要求需達到6.1章節要求。

3.2大梁腹板預拱度放樣

充分考慮_主梁因自重下撓度和焊接變形引起的拱度損失因素，計算出預拱度值，并繪制預拱度放樣曲線。制造放樣設定的上拱值應大于設計上拱值。制造放樣時，上拱值的確定還與大梁隔板的間距、剛性有關。如果設定的制造放樣上拱值過小，大梁焊后可能無法達到設計要求的上拱值，而必須采用火焰矯正法修復，如不采用火焰校正法會影響大梁上拱的穩定性。大梁上兩個簡支點間，制造放樣上拱值一般可在（1.5一1.7）L/1000之間選取。

放樣步驟：

1）確定隔板開檔間距，繪制曲線拱度線的各段端點位置。開檔間距小，會給生產操作帶來不便，影響經濟性；開檔間距大，會使實際放樣與設計拱度差距太大，拱度曲線失真嚴重。為便于生產，一般采用箱形梁隔板位置為拱度曲線的端點。

2）按圖劃線切割。找出折線拱度曲線上的各線段端點。

3）復核各點尺寸，利用半自動切割機切割拱度曲線。

3.3大梁成型

1）焊接承軌梁腹板與T形鋼

采用埋弧焊方式焊接承軌梁腹板與 T形鋼，拼接焊縫按 GB/ T11345-2013標準100% UT探傷達 I級要求，并按技術協議及 RT控制要求追加 RT探傷。注意T形鋼拼接焊縫與腹板和上蓋板拼縫錯開300mm以上，采用機械及火焰進行矯正T形鋼上平面的平面度。

2）胎架準備

搭制剛性胎架，盡量在每檔隔板位置搭制與拱度值相對應的胎架。

3）安裝底板

將底板在胎架上調整定位，在底板上劃出所有的基準線、檢測線、裝配線、按圖紙要求控制底板拱度變化值。

4）隔板組對

隔板腹板邊與底板此時需確保角直，及時對隔板進行修整，并保證隔板與腹板的裝配間隙

5）腹板組對

腹板與底板上的隔板安裝線需保證重合。先定位腹板與底板，用2M靠尺檢查根部直線度≤2mm/2m。后定位隔板與腹板，同時檢查隔板與腹板上的隔板線是否重合或平行，保證隔板開檔誤差 d≤2‰ D（ D為圖紙要求隔板開檔）。

6）組裝上蓋板

上蓋板的定位與腹板相同，如果蓋板平整度較好，不應強制壓緊使其與隔板貼緊，可以留有允許的間隙。

7）四面成型焊接

四面裝配完成后，采用二氧化碳氣體保護焊焊接各焊縫，注意焊接順序，先焊隔板與腹板立焊，再焊隔板與底板平角焊，最后焊腹板與底板內、外側平角焊，其中外側平角焊采用自動焊接小車進行焊接。

4 結論

1）目前金屬的蠕變現象沒有成熟的理論指導生產設計，分析大梁剛度的變化規律需要依據數據及經驗。

2）由于微塑性變形的累積，前大梁的剛度隨著使用時間的增加不斷下降，其下撓變形比投產時會變大，若在設計時沒有考慮到塑性變形的累積產生的影響，會導致卸船機在使用后期大梁剛度無法滿足技術要求。

3）完善的工藝規程可以有效地提高產品質量，讓前大梁在使用壽命內滿足剛度要求。

參考文獻

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[2]殷江平，顏敏.卸船機爬坡移機方案的分析計算及選擇[J].起重運輸機械.2017（12）

（作者單位：上海振華重工港機通用裝備有限公司）