大型起重機主梁拱度研究

□ 陳建春

南通中遠重工有限公司 江蘇南通 226116

1 研究背景

起重機械是現代工業生產過程中必不可少的搬運吊裝設備,在采礦冶金、機械制造、汽車船舶、航空航天等領域有極其廣泛的應用。不同工況下，起重機主梁具有不同的拱度，包括合龍后的預制拱度、只承受自重時的成型拱度、其它工況下的剩余拱度。為保證起重機具備良好的定位精度和使用性能,國家標準中對起重機主梁剛度和成型拱度都有明確規定。主梁成型拱度過小,在集中載荷作用下，主梁跨中會下撓，產生彈性變形；小車向跨中運行時存在下滑現象,向兩端運行時存在爬坡現象。主梁成型拱度過大,小車運行過程中同樣存在爬坡或下滑現象,都不滿足起重機的節能和安全要求。

為保證主梁安裝后滿足規定的成型拱度要求,制造起重機主梁時，均需設置一定的預制拱度。對于跨距較小的起重機,在主梁腹板下料時就預先給定上拱度。對于跨距較大的起重機,主梁分段制作完成后，在預定拱度的合龍胎架上進行合龍。筆者應用ANSYS Workbench軟件對某600 t大型門式起重機進行建模、計算,并結合安裝、運行過程中的實際測量數據進行分析,為大型起重機主梁預制拱度設置和剩余拱度監測提供參考。

2 主梁預制拱度計算

GB/T 14406—1993《通用門式起重機》對門式起重機主梁預制拱度有如下規定:主梁應有上拱,跨中上拱度應為0.9‰～1.4‰跨距,且最大拱度應控制在跨中1/10跨距的范圍內。GB/T 14406—2011《通用門式起重機》中沒有明確主梁組裝后上拱度的具體驗收要求,只提出了靜載試驗后上拱度不小于0.7‰跨距的要求,因此目前實際制作時仍參照GB/T 14406—1993進行預設。在不影響小車運行的前提下，盡可能向上限選取,從而保證主梁有足夠儲備的剩余拱度。現有研究表明，決定主梁預制拱度fyz的主要因素有主梁成型拱度、主梁自重引起的下撓度、主梁焊接等引起的變形，可表示為:

fyz=fcx+fzz+fhj

(1)

式中：fcx為主梁組裝焊接后的成型拱度;fzz為主梁自重引起的下撓度;fhj由為主梁焊接等因素引起的垂直彎曲變形。

主梁拱度變化情況如圖1所示。

▲圖1 主梁拱度變化情況

3 有限元計算

3.1 有限元模型建立

起重機額定起重質量為600 t,跨距為175 m,起升高度為85 m,工作級別為A5。主梁為箱型雙梁結構,高度為10.7 m。上小車質量為270 t，下小車質量為130 t。應用ANSYS Workbench軟件對起重機三大件組裝后的整體結構進行建模,小車自重以分布在一定區域內的集中載荷施加于主梁上。材料選用Q390B鋼,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3。除柔性腿底部結構處細劃網格外,其余結構均采用默認方法進行網格劃分,生成節點839 087個、單元912 044個。

3.2 約束與載荷施加

按照起重機實際約束情況,主梁與剛性腿頂部剛性連接,與柔性腿頂部鉸性連接，可繞鉸軸轉動。剛性腿底部采用固定約束,柔性腿底部一側鉸點約束X、Y、Z方向位移,另一側鉸點約束X、Z方向位移。主梁自重施加載荷,小車自重和吊重根據小車所處位置，以集中載荷方式施加在一定區域內。施加載荷和約束后的起重機有限元模型如圖2所示。為方便計算，不考慮溫度的影響。

3.3 有限元計算結果

在主梁僅受自重、小車空載位于主梁跨中位置、小車額定載重位于主梁跨中位置三種工況下進行主梁撓度計算,計算結果依次如圖3、圖4、圖5所示。在主梁僅受自重載荷下,主梁的最大撓度為345 mm。小車空載位于主梁跨中位置時,主梁的最大撓度為424 mm。小車額定載重位于主梁跨中位置時,主梁的最大撓度為544 mm。

3.4 主梁剩余拱度計算

主梁的剩余拱度fsy通過不同工況下主梁撓度計算值與預制拱度、釋放變形之差間接計算得到,即:

▲圖2 起重機有限元模型▲圖3 主梁僅受自重時撓度計算結果▲圖4 小車空載位于主梁跨中時撓度計算結果

▲圖5 小車額定載重位于主梁跨中時撓度計算結果

fsy=fyz-fsf-fnd

(2)

式中：fsf為釋放的變形;fnd為主梁當前工況的撓度。

4 主梁剩余拱度監測

4.1 主梁預制拱度確定

按照上述分析,起重機跨距為175 m,主梁成型拱度范圍為157.5～245 mm,按1.3‰跨距，即約230 mm選取，焊接變形預估為125 mm，那么主梁預制拱度fyz為:

fyz=fcx+fzz+fhj=230+345+125=700 mm

4.2 提升過程主梁拱度監測

主梁在胎架上組裝合龍后,解除限位,即在主梁自由狀態下對焊接后的實際拱度進行測量,驗證因焊接和制造工藝等因素造成的主梁變形是否在預設范圍之內。如果剩余拱度偏離目標范圍,那么可以通過火工等方法進行校正。

為了全面檢查各受力部位和主梁整體安全性能,在主梁正式提升前一般先提升至距組裝胎架200 mm的高度,靜置8～12 h，或者向上提升后再放下，反復兩三次。這一過程稱為預提升。

主梁正式提升至一定高度時,需要將剛性腿、柔性腿A字頭安裝到位。繼續提升時,剛性腿逐步滑移，直至完全直立。完成剛性腿、柔性腿等各部件的安裝檢測等工作之后,卸載提升載荷,主梁由剛性腿、柔性腿支撐。此時主梁的剩余拱度主要由主梁和小車自重產生的撓度決定,同時也會釋放一定的焊接變形。

筆者選取主梁預提升和提升載荷卸載后兩個工況下的主梁剩余拱度進行計算和測量,提升過程主梁剩余拱度監測數據見表1。

表1 提升過程主梁剩余拱度監測數據

由于施工工藝和焊接影響，主梁合龍后在胎架上的實際預制拱度達到719 mm。主梁預提升階段,主梁剩余拱度測量值為515.5 mm,較預制拱度減小了203.5 mm,較剩余拱度計算值小了13.5 mm,因而可知主梁釋放了焊接變形13.5 mm。當主梁提升載荷卸載后，由剛性腿、柔性腿支撐,測得主梁剩余拱度為328 mm，與計算值321 mm相比基本一致。

4.3 吊重試驗主梁拱度監測

提升塔架拆除后,進行吊重試驗。小車在主梁上運行若干次,進一步釋放起重機相關部位的焊接變形。筆者選取小車空載、上下小車聯合抬吊額定載荷與1.25倍載荷、上小車單獨起吊額定載荷，以及小車空載位于不同位置等工況下的主梁剩余拱度進行計算和測量,吊重試驗主梁剩余拱度監測數據見表2。

表2 吊重試驗主梁剩余拱度監測數據

經過多次運行和試吊,起重機主梁及其它部位相關焊接變形得到進一步釋放,在吊重試驗后趨于穩定。由表2可知,主梁只承載自重載荷時,其剩余拱度，即成型拱度取平均值345 mm。主梁自重產生的撓度為345 mm,從而可以得到主梁釋放的焊接變形為29 mm。

通過式(2)，可以計算得到其它工況下主梁的剩余拱度。表2中前四種工況數據顯示，主梁剩余拱度計算值與測量值基本一致，證明計算結果具有較高的準確度，可用于其它工況下主梁剩余拱度的預測和異常分析。

吊重試驗后主梁的成型拱度為341.5 mm,滿足國家標準的要求,并且上拱最高點位于跨中1/10跨距范圍內。

5 結束語

應用ANSYS Workbench軟件對某600 t大型門式起重機不同工況下的主梁撓度進行計算,對起重機合龍后的主梁預制拱度,以及安裝和試運行過程中主梁剩余拱度的實際測量數據進行分析,確認主梁合龍后測得的主梁預制拱度中包含一定的焊接變形,在其提升、試運行過程中逐步釋放,一般在吊重試驗后基本釋放完畢。釋放的焊接變形可以通過實際預制拱度與主梁成型拱度、主梁自重產生的撓度之差計算得到。考慮釋放的焊接變形,可以得到更加準確的主梁剩余拱度計算值。筆者的研究結果為后續起重機主梁預制拱度的合理設置和焊接變形的控制提供了參考。