大型橋式起重機(jī)主梁焊接上拱的影響因素研究

王春英，姚長(zhǎng)海，王毓堂

太原重工股份有限公司 山西太原 030024

1 序言

起重機(jī)主梁在集中載荷作用下要產(chǎn)生彈性下?lián)稀Ｈ糁髁褐瞥善街钡模鸬踔匚飼r(shí)由于載荷作用使主梁下?lián)希瑫?huì)造成小車架運(yùn)行時(shí)下滑或爬坡。同理，如主梁上拱度過大，跨中小車向兩端運(yùn)行也會(huì)造成下滑現(xiàn)象。為得到合適的上拱值，在主梁制作前需要預(yù)制上拱，那么主梁制作過程中哪些因素對(duì)上拱度有影響，有什么影響，就有必要進(jìn)行定性及定量的研究，本文以制作的280t鑄造吊主梁進(jìn)行模擬分析并具體跟蹤驗(yàn)證。

2 大型橋式起重機(jī)橋梁結(jié)構(gòu)

圖1 橋架結(jié)構(gòu)

大型橋式起重機(jī)主鉤起吊重量為280t，副鉤起吊重量為80t，跨距為21 500mm，橋架結(jié)構(gòu)形式為四梁四軌形式，主要由主梁、副主梁及端梁等組成，如圖1所示。主梁為偏軌箱型梁，主要由T型鋼、上蓋板、下蓋板、主腹板、副腹板和筋板等組成，截面尺寸為2250mm×2936mm，主體材料為Q355B，上下蓋板厚度為20mm，主腹板厚度為14mm，副腹板厚度為12mm，如圖2所示。T型鋼與主腹板和上蓋板的對(duì)接接頭為X形坡口形式，如圖3A、C放大圖所示；上蓋板與副腹板、下蓋板與主、副腹板的焊接接頭為單面V形坡口形式，如圖3B、D、E放大圖所示。

圖2 主梁結(jié)構(gòu)及截面

3 結(jié)構(gòu)焊接材料選擇

大型橋式起重機(jī)主體材料為Q355B，該材料為低合金高強(qiáng)鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。根據(jù)其化學(xué)成分及性能選擇與之匹配的焊接材料，在結(jié)構(gòu)制造過程中用到兩種焊接方法，即熔化極氣體保護(hù)焊和埋弧焊。熔化極氣體保護(hù)焊絲為φ1.2mm的ER50-6，埋弧焊焊絲為φ4.0mm的H08MnA和焊劑SJ101，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。

圖3 主梁主要焊縫及接頭形式

4 主腹板裝焊對(duì)上拱的影響

4.1 情況描述

大型橋式起重機(jī)在生產(chǎn)中以主腹板作為基準(zhǔn)進(jìn)行筋板、上蓋板及副腹板的裝配，主腹板的上拱值變化對(duì)整個(gè)梁的上拱的精確控制有重要影響，因此進(jìn)行定量分析，掌握其變化規(guī)律是很有必要的。大型橋式起重機(jī)裝配基準(zhǔn)是由主腹板和T型鋼組成，稱其為基準(zhǔn)腹板，其中主腹板帶有預(yù)制的上拱值，T型鋼無預(yù)制上拱，保持供貨狀態(tài)。故拼裝基準(zhǔn)腹板時(shí)需要施加外力將有上拱的主腹板與順直的T型鋼定位焊，然后再進(jìn)行焊接。由強(qiáng)制裝配引起主腹板與T型鋼的協(xié)調(diào)變形會(huì)導(dǎo)致腹板上拱值有所變化，而主腹板與T型鋼的焊接過程也會(huì)對(duì)其上拱值有重要影響[1]。因此，應(yīng)對(duì)裝配與焊接全過程進(jìn)行數(shù)值分析。

裝配后基準(zhǔn)腹板的上拱由以下兩方面組成。

1）強(qiáng)制裝配引起主腹板與T型鋼的協(xié)調(diào)變形（見圖4a）。

2）主腹板與T型鋼的焊接過程引起的上拱變化（見圖4b）。

表1 Q355B焊材化學(xué)成分及力學(xué)性能

圖4 主腹板與T型鋼裝配上拱變化

4.2 模擬計(jì)算

用商用軟件對(duì)變形問題進(jìn)行有限元分析，既考慮了主腹板與T型鋼定位焊裝配時(shí)由于反彈引起的上拱變化，又對(duì)整個(gè)裝配過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1）裝配過程可以認(rèn)為是一個(gè)沒有熱作用的彈塑性過程，利用彈塑性力學(xué)的變形原理，可得出與結(jié)構(gòu)有關(guān)的剛度參量是決定上拱變化的主要因素，該參量越大，定位焊裝配引起的變形越小。通過有限元分析得出T型鋼和下部腹板的剛度參量，從而可以計(jì)算出由于裝配反彈引起的上拱變化。

2）焊接過程的殘余上拱變形是由固有應(yīng)變引起的焊接收縮力產(chǎn)生的，通過模擬計(jì)算給定工藝條件下的焊接收縮力及該結(jié)構(gòu)的剛度參量，即可得出殘余上拱變形。主腹板與T型鋼焊接采用埋弧焊，焊接參數(shù)見表2。

表2 焊接參數(shù)

4.3 結(jié)果及分析

（1）定位焊裝配引起的反彈變形 通過有限元建模和分析剛度參量值見表3。

表3 剛度參量值

由表3可見，T型鋼的剛度參量遠(yuǎn)小于主腹板的剛度參量，通過彈性力學(xué)計(jì)算，得到定位焊后的上拱值為預(yù)制值的0.999，因此定位焊對(duì)上拱幾乎沒有影響，如圖5所示。

圖5 T型鋼與主腹板定位焊前后上拱對(duì)比

（2）焊接引起的上拱變化 通過計(jì)算可得在給定焊接工藝條件下焊接收縮力為4.986×105N，相應(yīng)的彈性系數(shù)為1.904×108N/m，故可得焊接過程使上拱減小值約為2.62mm，如圖6所示。

綜上所述，T型鋼與主腹板的焊接使上拱減小2.62mm ，并基本由焊接引起。

圖6 T型鋼與主腹板焊接前后上拱對(duì)比

4.4 實(shí)際跟蹤結(jié)果及分析

依據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并參考模擬數(shù)據(jù)對(duì)在制的3臺(tái)車（1#、2#、3#）先預(yù)制上拱，并在制造過程中進(jìn)行實(shí)際跟蹤記錄，具體數(shù)據(jù)見表4。

根據(jù)表4實(shí)際跟蹤數(shù)據(jù)分析，除1#制作過程進(jìn)行火焰矯正的數(shù)值有偏差外，其他數(shù)據(jù)都和模擬分析基本一致。

5 主梁主焊縫焊接對(duì)上拱的影響

（1）主梁主焊縫焊接有限元模擬數(shù)據(jù) 主梁的主焊縫布置如圖7所示，為了研究主梁主焊縫焊接對(duì)上拱的影響，分別對(duì)主腹板與筋板、副腹板與筋板、上蓋板與T型鋼、下蓋板與主副腹板的焊接對(duì)上拱的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，見表5。

圖7 主梁的主焊縫布置

（2）主梁焊縫焊接順序有限元模擬數(shù)據(jù) 為了研究焊接順序?qū)ι瞎暗挠绊懀謩e計(jì)算了同一工序中不同焊接順序?qū)ι瞎霸斐傻挠绊懀邢拊M了腹板上的橫向槽鋼從上往下焊和從下往上焊的上拱值變化，以及4條主焊縫（焊縫1～4見圖3）從上往下焊和從下往上焊的上拱值變化，見表6。

表4 主腹板與T型鋼裝焊后上拱值 （mm）

表5 主梁的主焊縫焊后上拱值變化值 （mm）

1）表6中主焊縫的焊接順序如圖7所示，從下往上焊為：焊縫1→焊縫2→焊縫3→焊縫4；從上往下焊為：焊縫4→焊縫3→焊縫2→焊縫1。

2）表6中腹板上橫向槽鋼的焊接順序如圖8所示，從上往下焊為：槽鋼1→槽鋼2→槽鋼3；從下往上焊為：槽鋼3→槽鋼2→槽鋼1。

圖8 加強(qiáng)槽鋼焊接順序

綜合以上所測(cè)數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論。

1）主焊縫只有上蓋板與T型鋼焊接，上蓋板與副腹板焊接使上拱減小，其余工序均使上拱增加，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因如下：首先焊接變形是由于焊接在加熱與冷卻過程中產(chǎn)生的收縮力與腹板、蓋板、筋板等組成的整體結(jié)構(gòu)剛性綜合作用的結(jié)果，由于上蓋板與T型鋼、上蓋板與副腹板的焊縫位于主梁慣性矩中性軸上方，故綜合作用導(dǎo)致上拱減小；下蓋板與腹板焊縫，主、副腹板與筋板的焊縫全部或大部分在主梁慣性矩中性軸的下方，故綜合作用導(dǎo)致上拱略增加。

2）主焊縫以及橫向槽鋼的焊接過程中總體使上拱增大，按從下往上的焊接順序增加量略大于從上往下的焊接順序增加量。主要原因是槽鋼1位于主梁慣性矩中性軸上方，槽鋼1焊接使上拱值減小，槽鋼2、槽鋼3位于主梁慣性矩中性軸下方，槽鋼2、槽鋼3焊接使上拱值增加[2]。采用從上往下的焊接順序時(shí)，由于下部未焊，結(jié)構(gòu)處于相對(duì)自由狀態(tài)，槽鋼1使上拱值減小值比從下往上焊略大一點(diǎn)，而槽鋼2、3焊接使上拱值增加值比從下往上焊略小一點(diǎn)。

6 主梁上拱值實(shí)際跟蹤數(shù)據(jù)

在模擬結(jié)果指導(dǎo)下，對(duì)3臺(tái)設(shè)備主梁上拱值進(jìn)行了實(shí)際跟蹤記錄，見表7、表8。

從表7、表8數(shù)據(jù)可以看出，產(chǎn)品跟蹤實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算的數(shù)值基本偏差不大，基本在1mm內(nèi)。

通過對(duì)大型橋式起重機(jī)主梁上拱模擬及跟蹤，在制的6臺(tái)同類型的設(shè)備，僅第一臺(tái)主梁2由于T型鋼焊后垂直度超差進(jìn)行了火焰矯正，其他主梁都通過制造過程監(jiān)測(cè)和控制，最終上拱值在跨距的（1.1～1.37）/1000，起重機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求上拱值在跨距的（0.9～1.4）/1000，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 不同焊接順序焊接后的上拱值變化 （mm）

表7 主梁的主焊縫焊后上拱變化值 （mm）

表8 主梁的主焊縫焊后上拱值 （mm）

7 結(jié)束語

1）大型橋式起重機(jī)主梁上拱的影響因素復(fù)雜，其中包括T型鋼與主腹板裝焊、主腹板與筋板的焊接、副腹板與筋板的焊接、上蓋板與T型鋼的焊接、下蓋板與主副腹板的焊接等主焊縫的焊接都對(duì)上拱值有一定影響。

2）主梁主焊縫的焊接順序以及腹板上橫向槽鋼的焊接順序都會(huì)對(duì)上拱造成一定的影響。

3）研究的所有因素中只有T型鋼與主腹板的焊接、T型鋼與上蓋板的焊接、上蓋板與副腹板的焊接使上拱值減小，其他都使上拱值增加。

4）據(jù)以上數(shù)據(jù)合計(jì)，以從下往上焊順序，主腹板上拱增加0.4151m m，副腹板上拱增加3.5558mm；以從上往下焊順序，主腹板上拱減少0.0831mm，副腹板上拱增加3.1341mm；故主腹板預(yù)制上拱時(shí)應(yīng)比副腹板大3mm。

5）通過對(duì)大型橋式起重機(jī)主梁的上拱影響因素的模擬和實(shí)際跟蹤比對(duì)，對(duì)制造過程中上拱的影響有了定量認(rèn)識(shí)，可以為同類型起重機(jī)制造過程中上拱預(yù)制和過程控制提供理論依據(jù)。