淺談高溫環境對橋式起重機主梁的影響

盧俊鵬

大連博瑞重工有限公司 遼寧大連 116000

橋式起重機主梁下撓變形，直接影響鋼廠生產運轉的有序進行，也存在一定的安全隱患。通常情況下，起重機從投入使用后，主梁上拱度都會慢慢減小，即出廠時的拱度向下產生永久變形。在載荷不變的情況下，拱度會進入較長一段時間的穩定期。隨著工作時間的增長或在外部非正常條件作用下，主梁的拱度會逐漸減小，甚至發展至零或負值，此時起重機主梁材料被拉伸，甚至達到屈服極限，如果繼續發展下去就會有發生失穩、斷裂的危險[1]。

主梁下撓有很多種原因，本文主要分析高溫對起重機主梁下撓的影響。高溫車間比普通車間的起重機下撓現象較多。長期在爐頂上空作業的起重機或者吊運剛出爐的鋼坯，輻射熱造成主梁下、上蓋板的溫度差，下蓋板接受輻射量大而伸長，從而導致主梁的拱度自然減小。例如：某鋼廠加熱跨2014年投入使用的32t橋式起重機，用于鋼坯搬運，僅使用3年，主梁就出現了非常嚴重的下撓變形，被迫停止使用整改。為杜絕此類事故的發生，保證生產的正常運行，對橋式起重機主梁出現的問題進行了分析，并對同跨的橋式起重機制定了預防措施，取得了較好的效果。

1 主梁的設計分析

造成主梁出現下撓變形的原因有超載吊運，使主梁產生塑性變形；環境溫度較高，使主梁強度降低；主梁溫度過高時（300°C以上）發生蠕變。當環境溫度過高時，尤其是軋鋼廠加熱區環境溫度非常高，對起重機影響較大。

以某軋鋼廠加熱跨2014年初安裝使用的32t橋式起重機為例進行計算分析。起重量Q=32t，小車自重11.5t，跨度S=22.5m，大車分別驅動，大車運行速度75.5m/min，起升速度7.6m/min。主梁材質為Q235B。

1.1 常溫下主梁的設計計算

（1）強度計算。主梁的強度校核應按最不利載荷組合對危險截面進行強度驗算，校核主梁是否滿足使用要求。主梁危險截面為移動載荷（即：小車滿載）位于跨中時的跨中截面，跨中截面的下蓋板中部和腹板下部是危險部位，主要受垂直方向和水平方向最大彎矩引起的拉應力[2]。根據橋式起重機載荷分布情況，以小車輪壓較大的主梁來校核分析，主梁垂直載荷分布如圖1所示：

圖1 主梁垂直方向計算簡圖

主梁垂直方向最大彎矩為：

式中，各個載荷為考慮沖擊后的載荷，q為橋架自重引起的主梁均布載荷：0.45t/m；P為起重量和小車引起的集中載荷：22.3t。代入數據計算得：M垂直=1201×106Nmm。

主梁水平方向的彎矩是由于大車運行機構的突然啟動或制動引起的，包括滿載起重小車重量引起的引起的集中慣性和橋架自重引起的均布慣性載荷，計算得：主梁最大水平彎矩M水平=1294×105Nmm。

經計算主梁中間最大復合彎曲應力：σmax=127.2Mpa。查得主梁許用應力[σ]=160Mpa，可見常溫下主梁強度滿足要求。

（2）剛度計算。主梁的剛度包括動態剛度和靜態剛度兩部分，動態剛度是指額定載荷起升、下降過程中起重機系統容易發生緩慢、持續的衰減振動，一般不要求進行計算；靜剛度（以下簡稱剛度）是用主梁在垂直和水平方向產生的靜撓度來表征。

主梁在水平載荷作用下，將產生水平位移。由于主梁側設有走臺板，增加了主梁的水平剛度，使得梁的水平位移很小，不需計算。

主梁的垂直下撓度為：

式中，E為材料的彈性模量，2x105Mpa；Ix為梁中間截面的慣性矩，帶入數據得：下撓度f=25.33mm。許用撓度取[f]=30mm。可見常溫下主梁的垂直剛度滿足要求。

1.2 高溫環境下主梁的設計計算

起重機在吊運鋼坯過程中，熱坯對主梁下蓋板直接輻射和烘烤，溫度較高；上蓋板和腹板主要受環境溫度影響而升溫。主梁靠近端梁的小部分不在熱鋼坯的吊運范圍內，其余均受熱鋼坯的循環烘烤。經過鋼廠實測，主梁下蓋板的溫度均勻且較高，蓋板和腹板溫度較均勻并較低。夏季溫升問題更加突出，主梁下蓋板平均溫度最高可達到150℃左右，腹板和上蓋板的平均溫度最高可達到100°C左右。

（1）熱膨脹計算。主梁上蓋板和下蓋板沿長度方向的熱膨脹對主梁的強度和剛度有影響，而寬度方向的熱膨脹微小可忽略不計。主梁腹板上部和上蓋板受熱膨脹量相同，腹板下部與下蓋板伸長量相同，腹板沿高度方向的熱膨脹量相對很小可忽略不計。查得碳鋼線膨脹系數α1=1.2×10-5/℃。計算得：下蓋板沿長度方向熱膨脹量ΔL下=33.7mm，上蓋板沿長度方向熱膨脹量ΔL上=22.4mm。

（2）強度計算。主梁上蓋板與腹板溫度相同，故受熱膨脹同步。下蓋板與腹板溫度不同，熱膨脹不同，下蓋板溫度高受熱膨脹量大，拉動腹板下部伸長，導致腹板下部產生附加拉應力。

根據應變量和變形協商條件，經計算腹板下部產生的附加最大應力：σmax=108MPa，滿載時主梁中間最大彎曲應力：σmax=127.2MPa，則腹板的最大應力：σmax=235.2MPa，超過許用值，且達到Q235鋼的屈服極限。由于溫度的升高，屈服極限還要有所降低。因此，主梁腹板下部達到了產生塑性變形的條件，腹板下部伸長得不到恢復，腹板下部與下蓋板為一體，下蓋板同樣得不到恢復。故此時主梁強度無法滿足要求。

（3）剛度計算。主梁受熱后，上下熱膨脹不同和材料的彈性模量有微量下降都會使主梁的撓度產生變化。計算主梁垂直剛度：由于主梁上部熱膨脹量小，下部熱膨脹量大引起的下撓為?脹=1.297mm；環境溫度高使材料的彈性模量有所降低，這時主梁下撓為?熱=27.5mm，與常溫變形相比較主梁因受熱而下撓變形量增加很小；主梁受熱后的最大總撓度為28.8mm。僅從剛度角度看，主梁受熱后仍然能夠滿足要求[3]。

2 整改方法

（1）在主梁下蓋板下增加隔熱層：主梁下撓變形主要原因是主梁下蓋板受熱鋼坯直接輻射和烘烤，使主梁下蓋板和腹板之間產生較大溫差，造成腹板下部產生較大附加拉應力，腹板下部最大復合應力有時達到材料的屈服極限，導致腹板下部和下蓋板變形得不到恢復。解決方法為：在主梁下蓋板下面增加隔熱層，使主梁蓋板和主梁腹板溫差在10℃之內，避免了腹板下部產生較大附加拉應力的條件。

（2）降低額定載荷使用：運行在高溫環境下無法采取隔熱措施的起重機，可采取降低額定載荷使用。額定載荷降10%使用，主梁不發生塑性變形，不會導致主梁下撓，為確保安全，可降低負荷15%-20%以上使用。

由分析可知，在溫度<300℃的情況下，材料的彈性模量有所降低，溫度對主梁剛度影響很小，僅從剛度角度分析，主梁剛度在許用范圍內，滿足使用要求，從強度角度分析，最大復合應力達到了屈服極限值，強度不滿足要求。因此，主梁變形下撓是否滿足要求，不能只驗算剛度，還需對主梁進行較詳細的強度受力計算分析，最終確定其是否在安全范圍之內。兩者均滿足要求時，才能確保起重機安全，可靠運行。

3 后記

對同一跨上其它幾臺在較高溫度環境作業的橋式起重機采取了隔熱措施，并跟蹤實測了其中5臺環境溫度相對較高、起重負荷量接近或達到額定值的橋式起重機，1年多來均未出現下撓變形，起到了較好的防止下撓變形效果。主梁下方設置隔熱層，可提高起重機主梁使用壽命，并可以節省因修復起重機主梁下撓變形而帶來的費用。