某165 t 鑄造起重機(jī)橋架開裂的分析研究

劉莉娟

（太原重工技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

鋼水接受跨165/40 t 鑄造起重機(jī)為某鋼廠生產(chǎn)用重要設(shè)備，工作環(huán)境溫度高，粉塵多，滿負(fù)荷運(yùn)行頻率高。橋架作為起重機(jī)的主要承載結(jié)構(gòu)件，是典型的焊接結(jié)構(gòu)件，在起升載荷、運(yùn)行載荷的周期性反復(fù)作用下，主梁彎板、端梁彎板過渡圓角處，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，極易發(fā)生母材、焊縫開裂現(xiàn)象。裂紋的危害很大，一旦出現(xiàn)初始裂紋，在反復(fù)的交變應(yīng)力作用下，裂紋擴(kuò)展，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂現(xiàn)象。在此次設(shè)備維護(hù)過程中，發(fā)現(xiàn)橋架端梁頭部過渡圓角處出現(xiàn)裂紋，本文以該起重機(jī)作為研究對象，并對其進(jìn)行不利工況下受力分析，結(jié)合有限元計(jì)算，對改造前后的橋架進(jìn)行評估，旨在分析開裂原因，針對開裂部位進(jìn)行加固改造，以滿足鋼廠的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

1 起重機(jī)主要參數(shù)及橋架結(jié)構(gòu)

此鋼水接受跨165/40 t 鑄造起重機(jī)為四梁四軌剛性元寶端梁雙小車結(jié)構(gòu)，主起升額定起質(zhì)量165 t，跨度21.5 m，主起升速度6 m/min，副起升速度10 m/min，工作級別A7，橋架類型的起重機(jī)都采用4 支點(diǎn)承載橋跨結(jié)構(gòu)，橋架結(jié)構(gòu)具有一定的對稱性和彎曲扭轉(zhuǎn)彈性。橋架自重在跨度方向均勻分布，靜載荷如下表1 所示。

表1 載荷及其位置示意圖

2 理論分析

主、副梁截面構(gòu)造形式為偏軌箱型梁，主梁截面如圖1，理論計(jì)算時，主、副梁及端梁可簡化為簡支梁，簡化模型見圖1、圖2、圖3，主梁、軌道裝置、走臺欄桿以及供電裝置的自身質(zhì)量，按均布載荷q考慮，位于主梁中部的司機(jī)室及電氣裝置質(zhì)量Ps+d按集中載荷考慮，主小車質(zhì)量、副小車質(zhì)量、吊具質(zhì)量、起升載荷等換算到小車輪壓為移動集中載荷，通過軌道裝置作用于主副梁上。圖示主副小車在左極限位置，主副梁截面簡圖見下頁圖4。

圖1 主梁靜載荷分布

圖2 副梁靜載荷分布

圖3 主副梁截面簡圖（mm）

對于偏軌箱型梁，其輪壓作用于主腹板頂部軌面上，在輪壓作用下，軌道和翼緣板共同彎曲，承受彎曲應(yīng)力。在上述載荷作用下，主梁危險(xiǎn)截面驗(yàn)算點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)按最不利工況和載荷組合決定。梁承受彎

圖4 端梁截面及靜載荷分布簡圖（mm）

曲應(yīng)力：

式中：σ 為彎曲應(yīng)力，MPa；K1為約束彎曲和扭轉(zhuǎn)系數(shù)；φ2為起升動載系數(shù)；M為彎矩，N·m；Wt為梁截面抗彎模量，mm3。

鑄造起重機(jī)最大許用應(yīng)力：

式中：n為梁強(qiáng)度安全系數(shù)1.5。

橋架主要承載件材料為Q345B，根據(jù)廠內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算值小于等于0.85 許用值，即不大于184 MPa。

對于工作級別為A7 的起重機(jī)，應(yīng)計(jì)算疲勞強(qiáng)度，主梁跨中附近承受較大的拉應(yīng)力和切應(yīng)力作用，疲勞折算應(yīng)力系數(shù)按下式驗(yàn)算：

式中：[σr]、[τr]為疲勞許用應(yīng)力，其中應(yīng)力循環(huán)特性r按空載小車位于跨端和滿載小車位于跨中對同一驗(yàn)算點(diǎn)計(jì)算的應(yīng)力決定。具體驗(yàn)算方法詳見文獻(xiàn)[1]，本文不再贅述。

遵循GB/T 3811《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法，結(jié)合廠內(nèi)多年的設(shè)計(jì)資料及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得出小車滿載于跨中時圖5 所示主、副梁及端梁中部1 點(diǎn)、端部2 點(diǎn)最大應(yīng)力值見表2。

圖5 理論計(jì)算受力點(diǎn)布局示意圖（mm）

表2 不同工況主副梁1、2 點(diǎn)受力值

3 加固改造方案

考慮現(xiàn)場施焊條件，針對開裂部位做如圖6 所示加固，使開裂部位形成箱型結(jié)構(gòu)，從而改善受力情況，分散集中應(yīng)力。

圖6 開裂部位加固方案（mm）

4 對加固前后的橋架進(jìn)行有限元分析

4.1 簡化模型

對橋架進(jìn)行有限元分析前，在誤差允許范圍內(nèi)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，忽略梁內(nèi)走臺，電氣裝置，軌道裝置等，簡化后的三維模型見圖7。

圖7 橋架三維模型

4.2 劃分網(wǎng)格，添加邊界約束條件

鋼板材料為Q345B 和Q235B，彈性模量為2.06E11 N/m2，泊松比為0.3，采用二分之一模型，單元總數(shù)839 405，節(jié)點(diǎn)總數(shù)279 235，在橋架車輪處施加簡支約束，對稱面上施加對稱約束[2]。

4.3 載荷工況

主小車和副小車滿載處于左極限位置和跨中位置，其約束和加載情況見圖8。

圖8 橋架加載與約束示意圖

4.5 分析結(jié)果

工況1：主小車和副小車位于左極限位置時，加固前端梁圓角處最大Von Mises 應(yīng)力80.05 MPa，見下頁圖9；加固后端梁圓角處最大Von Mises 應(yīng)力52.42 MPa，見下頁圖10。

5 理論計(jì)算與有限元分析結(jié)果對比

圖9 加固前端梁危險(xiǎn)圓角處應(yīng)力云圖

圖10 加固后端梁危險(xiǎn)圓角處應(yīng)力云圖

橋架理論計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比可知有限元計(jì)算略大于理論計(jì)算結(jié)構(gòu)，且誤差控制在5%范圍內(nèi)。最不利工況下應(yīng)力分析值小于許用應(yīng)力值。對開裂處實(shí)施的補(bǔ)焊加固方案可以有效的降低應(yīng)力值，對沖擊載荷在此處形成的應(yīng)力作用具有一定的抵抗能力。

6 結(jié)語

橋架彎曲應(yīng)力和疲勞應(yīng)力系數(shù)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)許用要求，開裂原因并非正常載荷下的強(qiáng)度或疲勞損傷。端梁頭部開裂是現(xiàn)場其他因素引起的應(yīng)力集中造成的。對起重機(jī)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行狀況的觀察，起重機(jī)大車運(yùn)行軌道的垂直錯位和水平錯位存在嚴(yán)重的超差現(xiàn)象，在日常的生產(chǎn)運(yùn)行過程中，起重機(jī)頻繁的起制動產(chǎn)生很大的沖擊作用，軌道安裝的不平整使橋架承受復(fù)雜的動態(tài)應(yīng)力效應(yīng)。為確保“一罐制”原則，滿足生產(chǎn)運(yùn)行的需要，該起重機(jī)經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)行，長期的超負(fù)荷運(yùn)行勢必造成起重機(jī)的損傷。軌道的不平整及超載運(yùn)行很有可能是造成橋架開裂的主要原因。

從經(jīng)濟(jì)性以及安全性方面考慮，建議對大車運(yùn)行軌道進(jìn)行整修維護(hù)，使軌道接頭的高低差、側(cè)向錯位、接頭間隙、軌道縱向坡度、軌道安裝跨度偏差符合GB/T 10183《起重機(jī)車輪及大車和小車軌道公差第一部分：總則》，確保起重機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，且對起重機(jī)進(jìn)行增容改造，加大起重量，以滿足生產(chǎn)需求。本文的有限元分析部分僅進(jìn)行了強(qiáng)度分析，在后續(xù)研究中，應(yīng)要求用戶提供具體的起重機(jī)使用情況參數(shù)，建立合理的載荷譜，對起重機(jī)進(jìn)行疲勞有限元分析。