橋式起重機結構失效與輕量化設計制造的問題探討

咼中樑 張 勇 蔣秉棟 黃國建

（廣州特種機電設備檢測研究院 廣州 510180）

通用橋式起重機（以下簡稱“橋機”）是船廠產品制造中不可或缺的生產設備，統計分析表明，船廠用橋機的工作級別一般達到A5-A8，是一種在運行過程中存在較高風險的起重設備。本文以某船廠的一臺服役了近10年的橋機（見圖1）為例進行分析。

在使用單位日常巡檢中發現主梁腹板存在較為嚴重變形現象（見圖2、圖3），設備主要參數見表1，筆者通過橋機的主梁進行開箱檢測發現內部加強筋出現失穩變形，利用有限元分析軟件ANSYS預先建立結構的有限元模型，從結構設計角度出發驗算計算出結構的結構強度及穩定性，同時采用應力測試方法實測主梁結構在加載過程中的應力變化，通過現場實測得到的應力值與解析分析法的計算值兩種結果參考尋找結構變形的原因。

圖1 待測樣機

圖2 腹板變形

圖3 腹板變形量

表1 設備參數

1 形位測試結果

目測可知，若以走道為參照線，腹板與走道“踢腳線”有連續不均勻的間隙（見圖2），加之變形部位在主梁跨中部位，若產生失穩，會造成嚴重的事故，經測試，最大變形量已達到22mm（見圖3），已超標（標準要求離上翼緣板H/3區域最大允許值6.8mm，其他區域最大允許值11.6mm）。

開箱后目視檢測結果：主梁內部未見明顯異常腐蝕、銹蝕現象，主梁內部隔板未見明顯變形，主梁外側腹板變形處內部加強筋有4處明顯變形，隔板、筋板與主梁連接角焊縫無明顯可見裂紋。

2 主梁有限元模型及計算

2.1 強度校核

材料：Q345，強度系數n=1.48，許用應力：

工況描述：32t小車處于跨中位置。

有限元模型見圖4。

主梁端部變截面處出現較大應力，最大應力192.5MPa，主梁下蓋板最大受力109.4MPa，該工況下主梁中間上、下蓋板應力均小于許用應力。結構設計強度滿足實際工況使用需求。

圖4 有限元分析結果圖

2.2 主梁局部穩定性分析

1）兩縱肋之間的上蓋板的局部穩定性（見圖5）。

圖5 主梁跨中截面簡圖

2）腹板的局部穩定性（見圖6）。

圖6 腹板應力分布圖

t= 14mm;a= 2000mm;b= 2640mm

σ1=-101.15MPa，σ2=-110.86MPa，τ=14.45MPa

板1的局部穩定性（見圖7）。

圖7 板1應力分布圖

由計算結果知，臨界局部壓應力為93.7MPa，與板的局部穩定性許用應力110.35MPa已經十分接近。

3 應力測試

本次測試選取整機6處關鍵性位置或變截面位置，具體布點位置如圖8所示：

圖8 測點布置方案圖

測試結果對比見圖9、圖10、圖11。

應力測試結果分析：

1）主梁在吊載30t載荷時，最大受力小于材料許用應力，結構強度符合實際使用要求。

2）從受力對稱性可知，對稱測點數據反映出主梁受力對稱性較好。外側腹板發生變形，但并未導致主梁兩側受力產生較大差異。

圖9 主梁1號-2號測點應力測試數據對比圖

圖10 主梁3號-4號測點應力測試數據對比圖

圖11 主梁5號-6號測點應力測試數據對比圖

4 結論

1）現代經濟快速發展，企業為確保生產效率，起重裝卸設備基本都處于超負荷運轉狀態，實際工作級別高于設計值，加之工作環境惡劣，對操作人員的管理、培訓措施不到位，設備極容易提前進入疲勞期，進而引發安全事故。

2）本案例中的起重機就是典型的實際工作級別高于設計值的例子，結構應力測試結果反映出主梁結構強度在滿足工況使用要求的前提下，腹板已出現失穩的“疲態”。通過強度校核可知，起重機制造單位在結構的強度及穩定性設計上雖滿足使用工況，但由穩定性計算結果可知，設計穩定臨界值與許用應力已經十分接近，在長期高強度作業工況下安全裕度不足。

3）近年來，起重機輕量化設計與制造的理念引導下，很多起重機制造企業為了追求利益最大化，在制造工藝并不完全達標的情況下，或者在設計時對使用單位的實際工況考慮不足時，極易導致起重機在“正值壯年”時就出現較大的安全隱患，使用壽命縮短。反觀船廠許多的大型起重設備，多由自己設計制造，雖然實際使用的工作級別較低，但設計時一般都會留足安全裕度，加之用料足，許多設備在使用了20～30年之久后仍然保持良好的結構狀態。

4）此案例提醒起重設備的使用單位和設計制造單位，對起重機選型問題應引起高度重視。雖然起重設備輕量化能節省購買成本，但設備的提前退役或者因設備結構問題導致的安全事故才是更大的浪費。