橋式起重機主梁下撓原因及危害分析

陳 源

（廣西壯族自治區特種設備監督檢驗院，廣西 南寧 530219）

橋式起重機由金屬結構、傳動機構和控制系統三大部分組成，是工礦企業、車站碼頭，實現搬運機械化、自動化，提高勞動生產效率的勞動工具，是以間歇、重復工作方式，通過取物裝置的起升、下降與運移來實現物料搬運的設備。

1 起重機的工作特點

起重機的工作特點概括如下：

（1）起重機通常都具有龐大的金屬結構和比較復雜的機構，能完成一個或數個起升、下降和水平運動，作業過程中常常是幾個不同方向的運動同時操作，技術難度較大。

（2）所吊運的物料多種多樣，載荷是變化的，重達成百上千噸，長則數十米至上百米，形狀很不規則，還有散粒、液體、熔融、易燃、易爆、強酸堿等危險品，使吊運過程復雜而危險。

（3）大多數起重機需要在較大范圍內運行，活動空間較大，危險面也增大。

（4）暴露的和活動的零部件較多，且常與吊運作業人員直接接觸（吊鉤、鋼絲繩等），潛在著許多偶發的危險因素。

（5）作業環境復雜。工礦企業、碼頭、車站、建筑工地等場所，都有起重機在運行，作業場所還常會遇到高溫、高壓、易燃、易爆、輸電線路、強磁場、暴風雨等危險因素，這些都會對設備及人員構成威脅。

（6）作業人員常需多人配合，存在較大難度，要求駕駛、指揮、司索等作業人員熟練配合，協調工作，互相照應。

上述諸多因素的存在，決定了起重機事故容易發生，為了保證起重機安全運行，作為承擔小車重量和外載荷及保持橋架穩定的重要構件的主梁，必須具有足夠的強度、靜剛度、動剛度和穩定性，以保證在規定載荷作用下，其主梁在彈性下撓值允許的范圍內，不至于發生永久變形。

起重機使用一段時間后，主梁上拱度會逐漸減小，即自原始拱度向下產生了永久變形，稱為下撓。造成起重機主梁下撓的原因，較為復雜，主梁下撓后對起重機的安全運行產生不利的影響。

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2 主梁下撓的原因

起重機主梁下撓的原因有兩類：一類是因為主梁結構材料的應力過大，超過其屈服強度，產生了塑性變形；另一類是主梁大面積材料長期在頻繁的高應力作用下，組織發生了連續的滑移。具體原因如下：

（1）結構內應力的影響。起重機金屬結構的各部位，存在著不同方向的拉、壓等復雜應力。這些應力的產生，主要是由制造工藝和結構制造過程中的強制組裝、構件變形造成的。再一個原因是由于采用熱熔切割、焊接過程中的局部受熱不均勻，造成焊縫及其附近金屬的收縮及收縮的不一致，導致主梁內部產生殘余應力，在載荷作用下，使主梁產生應力過大，超出材料的屈服極限，引起永久變形。結構殘余應力，在起重機的使用過程中，會不斷地松弛、擴散、趨向均勻化，以至于消失，也是引起主梁拱度減小的重要因素。

（2）高溫的影響。在高溫環境下，主梁金屬材料的屈服強度會降低，受拉區還產生與工作應力相一致的溫度應力，使主梁的承載能力降低很多，這種情況如不能得到重視，起重機工作時很容易造成隱性超載，致主梁下撓。例如，冶煉熱輻射，將造成主梁下蓋板溫度大大超過上蓋板溫度，使下蓋板的受熱伸長，大于上蓋板的受熱伸長，在載荷的作用下，導致主梁拱度逐漸減小。

（3）不合理的使用。起重機是在指定的使用條件下進行設計的，對于選型不當、超載及其他不合理的使用，是不在考慮范圍的。

在工作實踐中，發現一種類似于共振的造成起重機主梁下撓的重要現象。也就是帶取物裝置類的起重機，如：抓斗、電磁吸盤、夾鉗等在作業時，起重機剛取起物料時，司機有意或無意的致物料丟失，使起重機突然失載，造成主梁劇烈振動。由于起重機主梁的振動是低頻率、大振幅，當主梁振動至下峰時（相當于承載狀態），剛好起重機進行二次取物作業，結果造成實際上的主梁承載成倍增加，雖然抓斗、電磁吸盤類起重機在設計時，附加載荷考慮的比較多，但是偶遇此種工況多次循環后，就會造成主梁的下撓。

（4）不合理的修理。由于沒有掌握在起重機金屬結構上加熱引起結構變形的規律，也沒有采取防止變形的措施，就在橋架上氣割或焊接，而造成主梁的嚴重變形。

（5）小車輪壓過大。由于小車輪壓過大或道軌太小，造成主梁肋板間上蓋板局部凹陷或腹板受壓區凸凹變形，而使主梁整體下撓，箱型正軌梁比較常見。

（6）出力大，做功多，材料疲勞。根據多年工作經驗，主梁下撓現象多發生在做功多、出力大、材料出現疲勞的起重機上。這是因為在長期的、頻繁的、高應力作用下，大面積的主梁材料組織內晶體發生連續滑移、位錯，導致上拱度逐漸減小。

（7）其他原因。起重機主梁為細長結構件，不合理的存放、運輸、起吊和安裝，都能引起橋架結構的變形。此外，主梁材料的質量、材質也是造成主梁下撓的重要因素。

3 主梁下撓的危害

3.1 對承載能力和使用安全的影響

起重機主梁彈性變形幅度過大，振動劇烈，這是出現了剛度問題。起重機主梁發生永久變形，出現下撓，這是出現了強度問題。現在的起重機主梁上拱度，都是由制造時腹板下料獲得的。起重機主梁由上拱變形為下撓，也就是中間層以上部分被擠壓變形、中間層以下部分被拉永久伸長的過程。起重機主梁下撓，改變了主梁的設計受力狀態，材料缺陷、制造缺陷、疲勞缺陷等隨著下撓值的增大，被逐漸擴大，并增加諸多附加載荷，最大工作彎矩值、最大工作應力值隨之增大；中間層以下材料密度隨之減小，抗拉能力降低，中間層以上材料被擠壓彎曲變形，抗壓能力降低。因此，起重機的承載能力和安全可靠性隨之減小。起重機主梁下撓至比例極限時，起重機不能再繼續使用，必須降低額定工作載荷或修復加固。否則，會造成主梁突然失穩或斷裂的惡性事故發生。

3.2 對橋架結構的影響

主梁下撓，往往并發主梁水平彎曲，局部腹板翹曲變形，腹板與上蓋板連接處焊縫開焊、腹板與下蓋板出現裂紋等現象發生。對于雙主梁起重機，還影響橋架對角尺寸和大小車跨距等一系列變動。

3.3 對小車運行的影響

起重機主梁出現下撓，負載以后小車軌道將產生較大的坡度。小車由跨中開往兩端時，不僅要克服正常的運行阻力，還要克服爬坡的附加阻力，使小車電機、電器經常燒壞。另外，小車運行時，還難以制動，制動后也有自行滑移的現象，這對于有準確定位要求的作業影響很大。起重機主梁下撓，還常伴有主梁水平彎曲，使小車軌距隨之變動，致小車運行出現“夾軌”，增加小車運行阻力，加速車輪與軌道磨損，嚴重時發生脫軌事故。

3.4 對小車架的影響

主梁的下撓程度不同，小車的4個車輪不能同時與軌道接觸，便產生小車的“三條腿”現象，使小車架受力不均，久而久之使小車架產生變形和疲勞裂紋。

3.5 造成的“啃軌”及次生危害

由于橋架變形總是互相影響，互相牽連的，主梁下撓往往同時存在主梁旁彎、跨距變動和橋架對角線超差等諸多并發癥。對于雙主梁起重機來說，以上諸多變形，實際上并不是完全等量對稱發生的，所以致使大小車歪斜運行，產生大小車運行“啃軌”，造成諸多次生危害。

（1）縮短車輪壽命。一般輕、中級工作制的起重機，在正常使用條件下，車輪壽命可達15年以上，甚至與起重機等壽命，重級及冶金起重機也可達8～10年，但由于啃軌、輪緣磨薄或卷邊，使車輪壽命大大縮短，既增加了修理工作量和費用，又影響生產使用。

（2）軌道的影響。由于軌道兩側面被磨損，嚴重時掉鐵屑，使軌道頂面變窄，輪壓增大，且不能起到“軌”的作用，而需要更換軌道。特別是小車軌道更換，需要在主梁上進行動火作業，進而造成主梁的下撓量增加。反過來又造成更嚴重啃道的惡性循環。另外，在大小車啃軌運行側向力的作用下，易使大小車軌道松動、移位、變形。

（3）增加運行阻力。起重機啃軌運行的阻力，有時會增大到正常情況下的1.5～3.5倍，控制器放在1～2檔時，常有開不動車的現象，使電動機功率損耗和傳動系統的負荷都增加。啃軌嚴重時，會將減速器齒輪軸扭斷或損壞鍵槽。

（4）端梁頭部影響。起重機啃軌運行，產生較大的側向力，主要集中在端梁頭部的橫向加肋板處，久之使端梁頭部產生開焊和裂紋。

（5）主梁與端梁聯接的影響。起重機啃道運行嚴重時，使橋架頻繁的由矩形向平行四邊形交變，主梁與端梁的T型聯接處豎向角焊縫，抵抗此類結構變形的能力很差，久之必然產生裂紋，單梁起重機較常見。

（6）縮短廠房使用壽命。啃軌的側向力，使廠房結構增大橫向負荷，有時超過小車制動時的水平力，而廠房結構承受橫向負荷的能力較差，使廠房結構經常處于超負荷狀態而縮短壽命。

（7）脫軌。啃軌嚴重時，輪緣能爬上軌道頂面，造成脫軌事故，脫軌又造成橋架更嚴重的變形，使對角和跨距及平面度尺寸出現超差，繼而引起更嚴重的“啃軌”。

4 修理界限

4.1 應修界限

應修界限因多種不確定因素，不宜簡單的定量，國家也沒有硬性規定，由使用單位根據具體情況靈活掌握。這里特別提醒使用單位或修理單位注意的是：在考慮主梁下撓度和主梁剩余強度、比例極限及彎曲應力程度時，應以起重機制造時主梁腹板下料原始拱度2.5～3.5 S/1000算起（S是指主梁跨度），起重機制造時的拼焊影響拱度減少量，應考慮進去，不應以起重機制造廠家交貨時的拱度0.9～1.4 S/1000作為原始拱度。起重機主梁及承重構件的應修界限，推薦參考以下項目和指標：

（1）剛度指標。應修界限一般取小車處于跨中，在額定載荷下，主梁跨中的下撓值在水平線下達到跨度的1/2000～1/1000時，進行修理加固或降低額定載荷使用。

（2）強度指標。使用中的起重機，小車位于跨中，起吊1.25倍額定載荷，離地100mm，懸停10min，卸載后，如3min之內主梁不能恢復到試驗前的拱度值，或出現裂紋或變形，應進行修理加固或降低額定載荷使用。

（3）腐蝕指標。起重機的承載構件斷面腐蝕達到原厚度的8%時，應修復加固或降低額定載荷使用。

（4）應力。起重機構件發生裂紋時，應采取防止裂紋擴大和減小應力或加強構件的措施。

（5）起重機承載構件產生塑性變形，或有局部以及整體失穩趨勢發生時，應進行加固。

4.2 必修界限

我國《起重機械安全規程》GB6067-1985標準規定：小車處于跨中，在額定載荷下，主梁跨中的下撓值在水平線下達到跨度的1/700時，如不能修復，應報廢。

5 結束語

橋式起重機在廠礦企業生產中有著廣泛的應用，社會存量巨大。起重機一般體積和重量都較大，價值較高。起重機使用一段時間后，主梁出現下撓失去安全可靠性和影響使用性能是較為常見的一種現象，必須修理，否則只有報廢、更新，而報廢一臺起重機除了設備自身價值較高外，還要加上拆除、運輸、安裝、影響生產等間接費用，合起來會是一筆不小的費用，為廣大起重機用戶修舊利廢、減支增效、為安全生產提供技術支持和保障，同時響應國家提倡“節能減排、低炭環保”的號召，起重機主梁下撓的修復及其技術就顯得十分有意義和有著廣泛的市場前景。

[1]王福綿.起重機械技術檢驗[M].北京：學苑出版社，2000.

[2]劉愛國.起重機械安裝與維修實用技術[M].鄭州：河南科學技術出版社，2003.

[3]GB/T 3811-2008，起重機設計規范[S].