有限元建模分析一臺大跨度電動葫蘆橋式起重機端梁開裂的原因

戴周勇 遲 強 邱法聚

（寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315040）

有限元建模分析一臺大跨度電動葫蘆橋式起重機端梁開裂的原因

戴周勇 遲 強 邱法聚

（寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315040）

一臺大跨度的電動葫蘆橋式起重機，在使用過程中發現端梁開裂現象。通過查閱該起重機的設計圖紙等資料，利用有限元軟件建模，模擬施加兩種極端工況下的動載荷，分析了端梁開裂的原因。關鍵詞：電動葫蘆橋式起重機 開裂 動載荷 有限元分析

1 設備概況與現場勘查情況

一臺型號為LH3-34.8A5Y的電動葫蘆橋式起重機，額定起重量3t，跨度34.8m，起重機整機結構如圖1所示：

圖1 整機結構示意圖

該電動葫蘆橋式起重機位于銅棒拉絲車間，日常使用較為頻繁。起重機制造時間為2005年7月，2015年8月在使用單位例行自檢時，發現該起重機一端梁上蓋板部分出現開裂。使用單位委托起重機廠家在將該端梁整體更換下來后檢查時，發現端梁法蘭板與端梁上蓋板之間焊縫整體均勻開裂，端梁法蘭板與端梁腹板連接處出現了整體開裂，端梁法蘭板自身也嚴重變形，如圖2、圖3所示：

圖2 法蘭板與上蓋板焊縫均勻開裂

圖3 法蘭板嚴重變形

查閱該起重機設計圖紙，端梁法蘭板厚度為12mm，對應的主梁法蘭板厚度為20mm，端梁腹板厚度為6mm，端梁上蓋板厚度為5mm。端梁上蓋板、端梁腹板與端梁法蘭板之間均為單邊角焊縫，現場已均勻開裂，且焊縫均勻不一。

2 橋式起重機常用的主端梁連接形式

橋式起重機的橋架大部分為偏軌箱型結構，主梁與端梁間的連接通常采用兩塊厚度20mm以上的法蘭板，分別焊接在主梁和端梁上，然后用高強度螺栓通過法蘭板將主梁與端梁連接起來，這種型式的連接是通過施加給螺栓的預緊力，使法蘭板間產生強大的壓緊力，利用構件接觸面間的摩擦力來傳遞剪力，螺栓本身并不受剪切和擠壓，這種連接方式無論在起重機的制造還是運輸安裝方面都顯示了它的有優越性[1]。

3 有限元建模的目的與計算步驟

用ANSYS軟件對該起重機建模，進而分析端梁及端梁法蘭板的受力情況，從而找出該起重機端梁開裂的具體原因。具體方法是：當起升小車運行至主梁跨端時，小車處于滿載下降制動狀態，此時為主端梁連接處受剪力最大的工況；當起升小車運行至主梁跨中時，小車處于滿載下降制動狀態，此時為主端梁連接處受彎矩最大的工況，在兩種工況下分別截取出此時端梁及端梁法蘭板的受力情況。

3.1 有限元計算過程中的已知參數

通過對整機圖紙、主梁圖紙、端梁圖紙等資料的審查，得知該電動葫蘆橋式起重機整機自重17558.8kg，主梁自重6421.5kg，小車自重1326.8kg，小車軌距1000mm，小車基距1300mm，整機制造材料為Q235B。

具體參數如下：

額定起重量：Qe= 3t；

跨度：L = 34.8m；

小車自重：Gxc= 1.327t；

主梁自重：Gzl= 6.422t；

整機自重：Gzj= 17.559t；

橋架母體材質：Q235B；

材料屈服極限：σ = 235MPa[2]；

材料許用應力:[σ] = 176MPa，安全系數取1.33[3];

材料的彈性模量：E = 2.0×105MPa；

Q235b材料的泊松比：μ = 0.33。

3.2 計算載荷與載荷工況

●3.2.1 計算載荷

起重質量：Qe= 3t；

小車自重：Gxc= 1.327t；

小車自重沖擊載荷：φ1Gxc= 1.1×1.327=1.46t；

主梁自重沖擊載荷（均勻分布動載荷）：φ1Gz1= 1.1×6.422 = 7.064t；

起升重物動載荷：φ2Qe= 3×1.25 = 3.75t；

(φ1為起重機自重沖擊載荷系數，φ2為重物動載荷系數，查閱廠家設計資料，φ1= 1.1，φ2= 1.25）[4]。

●3.2.2 兩種載荷工況

活動載荷：P = φ2Qe+ φ1Gxc= 3.75 + 1.46 = 5.21t

1）當活動載荷P處于主梁跨端位置時,主端梁連接處受到活動載荷P引起的最大剪力載荷，如圖4所示，即工況1。

圖4 工況1

2）當活動載荷P處于主梁跨中位置時候，主端梁連接處受到活動載荷P與主梁自重疊加引起的最大彎矩載荷，圖5所示，即工況2。

圖5 工況2

4 有限元模型的建立與應力分析

整機用殼單元建模，對端梁大車的4個輪子處進行約束，根據實際情況，小車吊運額定載荷，分別在主梁跨中和最右端靠近端梁處，模擬施加重物下行制動時的動載荷，分別計算出整機的應力情況，并單獨對端梁及端梁法蘭板的受力情況進行截取并分析。

4.1 端梁處應力分析

1）工況1：當小車前輪運行至主端梁法蘭連接處，且小車處于滿載下降制動狀態。由圖6可知，端梁最大應力點在為MX處，最大應力值σmax1=150.446MPa，此時端梁處的最大應力值是在Q235B材料的設計許用應力值之內的，即σmax1<[σ]。

圖6 工況1時端梁應力圖

2）工況2：當小車運行至主梁跨中處，且小車處于滿載下降制動狀態。由圖7可知，端梁處最大應力點在為MX處，最大應力值σmax2=185.493MPa。此時端梁處的最大應力值已經超過Q235B材料的設計許用應力值，即σmax2>[σ]。

圖7 工況2時端梁應力圖

4.2 端梁法蘭板處應力分析

根據現場勘查的情況，分析端梁法蘭板與端梁上蓋板之間角焊縫可能在長時間較高強度的使用過程中逐漸發生開裂。根據這一情況，修改有限元模型模擬該條焊縫完全開裂時的情況，再分別根據工況1與工況2對端梁法蘭板的受力情況單獨截取并分析。

1）工況1：當小車前輪運行至主端梁法蘭連接的接縫處，且小車處于滿載下降制動狀態。由圖8所示，最大應力點MX位于端梁法蘭板與端梁腹板的連接處，最大應力值σmax3=221.713MPa 。

圖8 工況1時端梁法蘭板應力圖

圖9 工況2時端梁法蘭板應力圖

2）工況2：當小車運行至主梁跨中處，且小車處于滿載下降制動狀態。由圖9可知，最大應力點MX同樣位于端梁法蘭板處與端梁腹板的連接處，最大應力值σmax4=329.275MPa。

結合以上兩種工況下的應力分析，當端梁上蓋板與端梁法蘭板的水平連接角焊縫在使用過程中逐漸發生開裂，完全開裂后，端梁法蘭板的最大應力點處會迅速發生變形，進行導致端梁法蘭板與端梁腹板連接處整體開裂。

5 結束語

綜合以上情況分析，該電動葫蘆橋式起重機跨度較大，當遇到小車滿載運行至主梁跨中下行制動的極端工況時，端梁處最大應力值超過使用Q235B材料的設計許用應力值，說明廠家設計制造時端梁選用材料的設計安全系數偏小。該起重機工作級別為A5，使用地點為繁重的工作車間，工作級別與現場使用工況存在偏差，起重機的選型值得商榷。長時間繁重的使用過程中，端梁法蘭板與端梁上蓋板之間的水平角焊縫逐漸開裂（不排除制造安裝時存在焊接質量問題的可能），當該焊縫完全開裂后，就會導致端梁法蘭板變形等一系列情況發生。最后，在負載導致的彎矩作用下，整個端梁發生扭轉變形，上蓋板發生開裂，另一側腹板與上蓋板連接角焊縫也發生部分開裂。

本案例中，使用單位對起重機缺乏必要的選型知識，單純以性能參數為選型依據，不考慮整機的使用環境，對后期的可靠性、安全性、維修性產生了不利因素。而起重機制造廠家在起重機金屬結構設計過程中，未充分考慮用戶的實際需求，未嚴格遵循起重機設計手冊和設計規范中關于選用材料安全系數的設計要求。劃分起重機的工作級別是為了對起重機的金屬結構和機構設計提供合理的基礎，也為用戶和生產廠家在選型及制造時提供一個參考范圍。只有根據生產需要正確選型才能安全生產，選型級別過低會造成設備經常出故障，導致設備損壞，易發生安全事故。對于一些大跨度的起重機金屬結構設計，制造廠家除了使用傳統的許用應力法，更應該引入有限元建模分析來對局部進行結構強度校驗，保證金屬結構在規定的使用壽命期間內的可靠性。

[1] 俞利崗.橋式起重機主端梁連接計算分析[J].冶金設備管理與維修，2012，30（1）:60-61.

[2] 成大先.機械設計手冊[M].第四版.北京:化學工業出版社，2002.

[3] 張質文，虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版， 2001.

[4] GB/T 3811—2008 起重機設計規范[S].

Finite Element Modeling Analysis of End Beam Cracking Reason in a Large Span Electric Hoist Bridge Crane

Dai Zhouyong Chi Qiang Qiu Faju
(Ningbo Special Equipment Inspection Ningbo 315040)

End beam cracking was found in an electric hoist bridge crane with a large span during usage. By consulting the crane's design drawings and other data, the finite element software is used to simulate the dynamic loads under two extreme conditions, and the end beam cracking reason is analyzed.

Electric hoist bridge crane Crack Dynamic load Finite element analysis

X924

B

1673-257X(2016)11-0069-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.017

戴周勇(1982～)，男，本科，中級工程師,從事機電類特種設備檢驗工作。

2016-04-11）