某800T桅桿吊銷軸卡板螺栓故障的分析與處理

李達

【摘 要】本文針對某項目WD800T桅桿吊銷軸卡板螺栓意外切斷的問題，采用有限元分析的方法對桅桿吊的受力和材料進行了分析，結果表明故障發生的主要原因為臂架結構缺少連接鋼梁和軸套未滿足比壓要求。在此基礎上，提出了處理方案，在臂架之間增設了連接梁，同時更換了軸套。經理論計算和試驗檢驗，改造后設備使用效果良好并通過了1000T荷載型試驗。本文解決了某工程桅桿吊銷軸卡板螺栓意外切斷的問題，并為類似事件的處理提供了一種解決方法。

【關鍵詞】有限元分析；桅桿吊；螺栓

中圖分類號： U653.92 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0037-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.018

【Abstract】This paper focused on the malfunction about bolts on the snap of a WD800T Mast Crane. Finite element analysis was applied to analyze the force and material. The results showed that the primary causes are the lack of steel beam and the problem of the shaft sleeve. Therefore， several corresponding treatments were conducted， and the malfunction was resolved. We provide a viable solution for similar problems.

【Key words】Finite Element Analysis； Mast Crane； Bolt

1 故障概況

因大件設備裝卸和運輸的需要，某工地現場需安裝一臺WD800固定桅桿式起重機。該起重機的設計額定起重量為800t，主要由人字桿臂架、撐桿、拉索、主起升機構、變幅機構、副起升機構（防傾覆機構）和設備就位機構等七部分組成，金屬結構自重約263t，主鉤最大起重量800t（吊鉤下，雙吊點2×400t），最大工作幅度為25m（Qmax≤800t）/32m（Qmax≤350t），最小工作幅度為10.5m。人字桿臂架長度40.9m，撐桿長度約29.0m，拉索總長度約44.0m，背風地錨采用鋼筋混凝土結構形式，背風地錨距離臂架回轉中心距離為57m ，臂架結構為桁架式。

（左為剪斷前，右為剪斷后，白色圓圈處為剪斷螺栓）

在起重機完成現場安裝后，項目組對桅桿吊進行了350t 荷載試驗。然而，在桅桿吊在向外變幅到十米之后的過程中，臂架鉸支座處發生了異響。在桅桿吊其從最大幅往回變幅的過程中，試驗人員發現上游側臂架下鉸支座銷軸處的異響有所增強，進一步檢查發現鉸座銷軸隨臂架變幅轉動，下游側臂架銷軸的四個銷軸卡板螺栓已被切斷了兩個（見圖1），設備無法安全運行。

2 原因分析

2.1 受力分析

原臂架在2根41米長八字形臂架間未設連接梁，對上游側至下游側支座耳弧（耳板）進行編號，依次為：S1、S2、S3、S4、X1、X2、X3、X4，如圖2所示。

采用有限元分析的方法分別模擬了350T試驗工況和800T額定工況下的耳板受力及變形情況，結果如表1所示[1]。從表中可以看出，在350T試驗工況下，8個耳板承受的側向力均在120KN以上，最大值達到了153.2KN，最大變形量達到了2.63mm，耳板產生較大變形，局部卡壓銷軸，使得銷軸受力不均勻，臂架抱死銷軸，帶動銷軸一同產生轉動，從而切斷M18的卡板螺栓。在800T的額定工況下，8個耳板承受的側向力將高達205.6-327.5KN，最大變形量達到5.65mm，會導致銷軸受力更不均勻，吊車無法正常工作。

2.2 軸套承受比壓分析

從表1可以看出，在350T的試驗工況下，下游側軸承最大壓力位于板X1處，該處的軸承壓力為1172.9 KN，軸套的最大計算比壓可通過下式計算：

Pmax=Nmax/A=1172.9/（298×110）mm=35.8Mpa

式中，Pmax——軸套的最大比壓；

Nmax——最大軸承壓力；

A——受力面積。

在800噸額定工況下，下游側軸承最大壓力位于板S1處，其軸承壓力為2501.0KN，軸套的最大計算比壓為：

Pmax=Nmax/A=2501.0/（298×110）mm=76.3Mpa

由于現場實際采用的軸套為制造廠商根據以往經驗選用的SL-IB型軸套，并未按設計要求選型，SL-IB型軸套許用比壓僅為30MPa，遠低于設計選用的比壓要求。在350T試驗工況下，軸套的最大計算比壓為35.8 MPa，造成軸套變形，從而增大了銷軸的與軸套間的接觸力增大，使得臂架轉動時帶動銷軸轉動，切斷卡板螺栓。若在800T額定工況下，軸套的最大計算比壓將高達76.3Mpa，設備將更無法正常工作。

3 處理方案

根據分析的故障原因，分別采用了在兩個臂架之間增設聯系梁和更換現有軸套的處理方案。增加聯系梁后，采用有限元分析的方法，分別在模擬350T試驗工況及800T額定起重工況下的耳板受力及變形情況，結果如表2所示[2]。從表中可以看出，在350T工況下，8個耳板承受的側向力為47.7-62.6KN，最大變形量為1.07；在800T工況下，8個耳板承受的側向力為60.3-127.8KN，最大變形量為1.97。相對于增設連系梁之前，耳板承受側向力大幅減小，變形也大為減小，但軸承的承壓并沒有明顯變化。由此可知，增加聯系梁后，二個吊臂產生的側向內力將由增加的聯系梁得到大幅抵消，不會形成作用于吊臂耳板與支座的外力，從而減小耳板變形，使得銷軸受力更為均勻。

增加聯系梁后，并不能減小軸套承受的壓力。取800T額定工況下，軸套最大承受壓力為X3、X4下方的單個軸套：

Nmax=2409.2+2390.1=4799.3KN

則軸套最大計算比壓為：

Pmax=4799.3KN/（298×418）mm=38.5Mpa

實際已安裝好的軸套為SL-IB型軸套，許用比壓為30Mpa，仍不能滿足要求，故需更換。

4 處理步驟

由于現場吊車已安裝完成，根據處理方案，需增設聯系梁并更換銷軸的軸套，具備一定的實施難度。尤其是要更換上、下游側二個銷軸的軸套，需要取下原已裝好的軸套，再安裝新的軸套。針對現場情況，主要采取了以下處理步驟：

（1）安裝聯系梁

聯系梁場內制作，端頭預留切割余量，將吊臂變幅至45°位置，副鉤下放掛在碼頭防傾裝置上，然后將主鉤下放擱置于碼頭平臺上，收緊副鉤卷揚機，使副鉤鋼絲繩拉直略帶受力，減弱吊臂晃動。采取措施恢復臂架開檔尺寸后，根據現場放樣尺寸進行切割并用汽車吊裝就位，通過定位卡板精確定位后進行施焊作業。

（2）安裝臨時支座

臨時下鉸座在廠內完成結構制造、機加工發運至現場；臨時上鉸座廠內結構拼焊成型后發運至現場，其中與臨時下鉸座連接的銷孔加工到位，而與臂架焊縫連接的鋼板外緣留10-20mm 現場切割余量。下鉸座與上支座的銷孔與銷軸的配合公差應適當放大，以便于銷軸拆裝。利用水準儀將臨時絞支座調平就位，同時通過保證銷軸之間的軸心距左右均等控制臨時銷軸與吊臂銷軸之間的同軸度。就位完成后進行焊接作業。

（3）取下銷軸

搭置銷軸拆除所用工裝，臂架向下小角度變幅使臨時鉸座承載，停止變幅動作，檢查臨時上支座與下鉸座的連接焊縫是否變形或其它異常。變幅機構來回微動調整，臂架下鉸座不再承載后，在銷軸端部使用千斤頂和手錘或是撞錘將銷軸頂推出軸孔。左右銷軸的拆除工作可分步進行。

（4）取下原軸套并鏜孔

原軸套與臂架為焊縫連接，采用火焰切割與碳弧氣刨的方法進行焊縫清除。原軸套與臂架之間的裝配為間隙配合，可手動拆除。按照已做出的加工線與定位線進行鏜孔加工。鏜孔完成后，對軸孔尺寸現場實測，并將數據返回車間以便對鋼套進行配車。

（5）安裝新軸套

鋼套為鍛件，已在廠內進行機加工，除外徑3mm 左右加工量外，其余尺寸均在現場安裝前加工到位，并與復合軸套裝配到位。待現場鏜孔實測尺寸到位后，對軸套尺寸進行配車，保證過渡配合。將鋼套與臂架上支座按圖裝配，鋼套外端留5mm 軸壓環余量。焊接鋼套需焊前預熱，鋼套與臂架之間的焊縫為角焊縫，焊后外觀檢查合格。

（6）穿銷軸就位

吊臂變幅至71°，對齊臂架上下鉸座銷軸孔利用汽車吊輔助安裝銷軸。

5 效果分析

采取上述處理措施后，計算分析和現場試驗均取得良好結果，并通過了1000T荷載型試驗。桅桿吊側向力由1120.3KN減小至410.9KN，桅桿吊耳板變形量由5.65mm減小至1.97mm，軸套比壓由76.3Mpa減小至38.5Mpa，且更換后選用的軸套許用比壓能完全滿足額定工況下的比壓要求。

6 結語

本文針對某施工現場WD800固定式桅桿起重機銷軸卡板螺栓切斷的故障，采用有限元分析的方法分析了故障的主要原因，并提出了增設聯系梁和更換現有軸套的處理方案，通過方案的實施最終成功解決了問題，并通過了1000T荷載型試驗。本文對起吊設備的類似問題提供了一種解決思路，可為其他同類型設備提供參考借鑒。此外，在以后的施工中，應加強從設計、采購、監造等多方面的監管審查力度，并對重要部件加設見證點，從管理上杜絕此類事件的發生。

【參考文獻】

[1]傅永華.有限元分析基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2003.

[2]梁醒培.應用有限元分析[M].北京：清華大學出版社，2010.