橋式起重機端梁下蓋板U型槽處裂紋分析與改進

畢立群，馬敬勛，高海山

（山東鋼鐵集團有限公司，山東濟南 250101）

經驗交流

橋式起重機端梁下蓋板U型槽處裂紋分析與改進

畢立群，馬敬勛，高海山

（山東鋼鐵集團有限公司，山東濟南 250101）

點檢發現橋式重機端梁下蓋板U型槽處裂紋，對U型槽處強度進行了計算分析，指出橋式起重機端梁下蓋板U型槽處是端梁抗扭轉的薄弱環節。采取了局部加固和更換端梁方案，提出了起重機在使用、改進及設計、制造時應引起重視的建議。

橋式起重機；端梁；下蓋板；U型槽；裂紋

濟鋼某分廠在例行點檢時，多部橋式起重機發現隱藏在端梁下蓋板U型槽處的裂紋，這些起重機均為生產線使用，工作繁忙。如果U型槽處裂紋得不到及時處理或修復，將會導致安全事故。為及時排除隱患，保證生產的順行，對U型槽處裂紋進行了計算分析，找出造成U型槽處裂紋的主要原因，采取相應措施根除了U型槽處裂紋隱患。根據U型槽處裂紋的情況，可以初步判定為疲勞裂紋，疲勞裂紋與疲勞極限、工作循環次數有關，即與工作級別和裂紋處的強度有關。

1 起重機工作級別分析

起重機工作級別是起重機金屬結構和機構設計的基礎，是起重機勝任它需要完成工作任務的標志。確定起重機工作級別時，需要考慮起重機利用等級和載荷狀態［1］。

1）利用等級。工作總循環數1.44×106，查得起重機的利用等級在U6、U7之間。

2）載荷狀態。起重機額定載荷為32 t，通常吊運載荷為20 t左右，屬于經常吊起超過50%額定載荷，載荷狀態為Q3—重。

3）工作級別。按照Q3—U6起重機工作級別為A7、Q3—U7起重機工作級別為A8參照，起重機工作級別應不低于A7。原起重機工作級別為A6，工作級別偏低。

2 U型槽處裂紋受力分析

裂紋源自起重機端梁下蓋板U型槽外側拐角處，因此主要針對U型槽處進行計算分析。經測量，起重機主梁是按照圖紙要求設計制造，端梁腹板厚6mm，上下蓋板厚8mm，所用板材為負公差。

起重機端梁主要受力為：主梁和小車的垂直力，吊運載荷的小車在啟動、制動時小車車輪對端梁產生的水平慣性力，大車運行偏斜引起的大車車輪側向水平力。主梁和小車的垂直力使端梁承受彎矩和剪力，彎矩受力最大點在主梁和端梁連接處；剪力在固定車輪軸承座的彎板處達到最大。端梁所受水平力使端梁產生水平彎矩和扭矩，水平彎矩最大處為主梁和端梁連接處。

經計算，端梁垂直方向所受最大彎曲正應力為49 MPa，U型槽處所受彎曲正應力為21 MPa；端梁水平方向所受最大彎曲正應力為17.2 MPa，U型槽處所受彎曲正應力為7.3 MPa。許用應力為156 MPa，可見端梁的彎曲強度足夠，顯然U型槽處裂紋不是彎曲應力引起。

在起重機常規設計計算時，通常不考慮端梁受扭轉情況，為分析U型槽處的扭轉剪應力，下面就端梁所受扭矩情況進行計算分析。

1）水平慣性載荷對端梁的水平作用力和力偶矩。吊運載荷的小車在啟動、制動時，小車車輪作用于一根端梁上的水平慣性載荷Pxy為［1］：

式中Pd為作用在一根主梁上的小車主動輪輪壓之和，按照實際吊運載荷20 t計算，Pd＝66 845 N。

計算得：Pxy＝9 549.3 N。這一慣性載荷最終傳遞到大車車輪和軌道的接觸處，經計算，大車車輪與軌道間的滑動摩擦力遠大于這一慣性載荷，因此，大車車輪與軌道不會產生相對滑動，Pxy即大車車輪和大車軌道的接觸處對端梁的水平力。根據力的平移定理，Pxy可平移到端梁的扭轉中心軸上，并同時增加1個力偶矩，經計算扭矩為Mg＝3 466 396 N·mm。

2）大車車輪側向載荷對端梁的水平作用力和力偶矩。起重機偏斜運行時起重機水平側向力為［1］：

式中：∑P為起重機產生側向力一側的最大輪壓之和，按照實際吊運載荷20 t計，∑P＝492 443 N；λ為側壓系數，與起重機跨度L和大車輪距B之比有關，查得λ＝0.16。

2012年5月—2014年10月，本院采用頂椎楔形截骨術治療重度僵硬型脊柱側后凸畸形患者23例，矯形效果良好，現報告如下。

計算得：PC＝39 395 N。同理可將PC平移到端梁的扭轉中心軸上，并同時增加一個力偶矩，經計算扭矩為Mc＝14 303 672.5 N·mm。

3）端梁所受扭轉剪應力。端梁所受水平慣性載荷對端梁的水平作用力和力偶矩是由小車啟制動產生的，大車車輪側向力對端梁的水平作用力和力偶矩是由大車偏斜運行時產生的，二者一般不同時發生，因此，應按照大的扭矩計算端梁所受扭轉剪應力。

端梁為箱型梁結構，在大車車輪處下蓋板上開有U型槽，因此，端梁截面分為閉口截面和開口截面。閉口截面自由扭轉剪應力沿壁厚均勻分布，沿截面中線形成封閉的剪力流，剪應力為［1］：

式中：MT為作用在端梁上的扭矩，在此選擇較大的力偶矩MT＝Mc＝14 303 672.5 N·mm；Ω為箱型截面積579 744mm2；δ為截面上計算處的壁厚，在此按照最小壁厚選取6mm。

計算得：τb＝4.11 MPa，而閉口截面的扭轉疲勞極限應力為154 MPa，可見閉口截面的扭轉強度足夠。

開口截面自由扭轉剪應力沿壁厚為線性分布，剪應力為［1］：

計算得：τb＝159.6 MPa。該應力是閉口截面處的扭轉應力的38倍多。

計算得鋼結構對稱循環扭轉的疲勞極限為102.75 MPa。端梁所受扭轉并非對稱扭轉，且不是橫幅脈動，根據端梁U型槽處的實際情況，取裂紋處的有效應力集中系數1.72，由于厚度較小，取尺寸系數1，表面較粗糙取表面加工系數0.7，可求得端梁U型槽處的疲勞極限應力為83.6 MPa。端梁U型槽處的剪應力159.6 MPa，高于疲勞極限應力83.6 MPa，但小于材料的屈服極限，因此經過幾年的使用出現了疲勞裂紋。上述計算分析表明，U型槽處的彎曲強度足夠，端梁閉口截面的扭轉強度足夠；U型槽處開口截面扭轉剪應力高于其疲勞極限應力，U型槽處是端梁抗扭轉剪應力薄弱環節。

3 改進分析

3.1 局部加固

根據原端梁存在的薄弱環節，首先考慮的是對U型槽處的局部裂紋進行修復，U型槽處開口截面自由扭轉剪應力沿壁厚為線性分布，由開口截面的扭轉慣性矩計算公式可知增加鋼板厚度δi對提高扭轉慣性矩效果明顯。開口截面的扭轉慣性矩是各個矩形窄條扭轉慣性矩共同組成，在原端梁蓋板和腹板上加焊鋼板，是局部加固的方法，如果再增加同樣厚度的蓋板和腹板，得到的扭轉慣性矩增加了一倍，即相當于二倍的δi3。

由剪應力計算公式知矩形窄條厚度越大，表面扭轉剪應力相對越高，因此，增加U型槽處截面的局部厚度會增加截面的扭轉剪應力τk，對提高U型槽處開口截面的抗扭強度效果不佳。

理論計算表明，進行局部加固后，其截面的扭轉剪應力τk仍然高于疲勞極限應力τU。由于端梁下蓋板位置特殊，在加固時必須將起重機整體調整到合理位置才能修復，局部修復費用相對較高；又考慮到其工作級別偏低，需要提高端梁的工作級別，所以考慮對起重機端梁進行整體更換。

3.2 更換端梁

扭轉慣性矩計算公式知，扭轉慣性矩和鋼板厚度δi是三次方關系，因此鋼板厚度起到的作用非常大。在原端梁蓋板和腹板上加焊鋼板，如同二倍δi3。整體更換對扭轉慣性矩的作用要大得多，因此整體更換端梁比局部加固，對提高U型槽處開口截面的扭轉慣性矩效果要好得多。

根據原端梁存在的薄弱環節，又需要與原起重機主梁及其他尺寸相匹配，為此制訂了與主梁等相匹配的端梁改進方案，改進后端梁外形尺寸和安裝尺寸沒有改變，改進后端梁上下蓋板厚度為12mm，腹板厚為10mm，彎板厚為16mm，端梁整體強度顯著提高，工作級別有所提高。對新端梁U型槽處開口截面進行理論計算，求得扭轉剪應力為τb＝110 MPa。按照要求將端梁下蓋板U型槽拐角處過度圓弧曲率半徑適當放大，且將過渡圓弧處理光滑，可得端梁U型槽處的疲勞極限應力為τU＝119 MPa。扭轉剪切應力小于疲勞極限應力，可見改進后端梁的強度滿足要求。

4 結語

1）局部制造質量需要引起重視。起重機端梁裂紋源自下蓋板U型槽外側拐角處，該部位制造質量存在明顯缺陷：過渡圓弧處是由氣割切割，鋸齒形割痕明顯，表面粗糙，因此不規則過渡圓弧處提供了大的集中應力，表面粗糙提供了裂紋源，大應力集中和裂紋源的存在使疲勞極限應力降低，導致疲勞裂紋的發生。因此，局部制造質量應當引起重視，在以后的制造中應盡可能加大下蓋板U型槽處的過渡圓弧，并對該處修磨光滑，以提高其抗疲勞能力。

2）起重機偏斜運行產生的水平側向力不可忽視。水平慣性載荷產生的扭矩為偏斜運行時產生扭矩的4倍多，因此起重機偏斜運行產生的水平側向力不可忽視。車輪安裝固定是起重機是否偏斜運行的重要因素之一，因此大車車輪正確安裝很重要，需要定期檢查起重機車輪的安裝固定情況，保證起重機不發生偏斜運行。起重機大車軌道軌距如果超差將導致起重機嚴重啃軌，且起重機大車運行時軌道對車輪的反作用力對起重機產生水平側向力，對起重機端梁產生的扭矩不可忽視，因此軌距也是起重機產生水平側向力的重要因素，需要定期測量和調整大車軌道，保證大車軌道軌距不超差。

3）對大跨度高工作級別的起重機有必要對U型槽處進行設計計算。U型槽處開口截面的扭轉剪應力是閉口截面的38倍多，可見U型槽處截面的抗扭強度差，應當引起高度重視。計算結果顯示，偏斜運行時產生的扭矩大，這個扭矩與起重機跨度和大車輪輪距之比有關，跨度越大產生的扭矩越大，因此大跨度起重機的端梁應考慮抗扭強度是否滿足要求。U型槽處裂紋是典型的疲勞裂紋，疲勞裂紋與使用次數有關，工作級別低的起重機使用次數少。對跨度大、工作級別高的起重機端梁下蓋板盡可能設計成為不開U型槽的；端梁下蓋板開U型槽的起重機，如果跨度和大車輪輪距之比≥5、工作級別為A6及以上的起重機，建議對U型槽處進行強度設計計算。

［1］張質文.起重機設計手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，1997.

TH215

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1004-4620（2014）04-0070-02

2014-05-22

畢立群，男，1969年生，1993年畢業于包頭鋼鐵學院冶金機械專業，2001年畢業于山東大學管理科學與工程專業，碩士。現為山東鋼鐵集團日照有限公司工程管理部工程師，從事施工現場技術管理工作。