450t鑄造起重機主梁端部開裂原因分析及改進

陳永，胡長義，羅會信

（1.武漢鋼鐵股份有限公司煉鋼總廠3分廠；2.武漢科技大學，湖北 武漢 430000）

1 450t鑄造起重機結構及裂紋介紹

武鋼第三煉鋼廠鋼水接受跨2#450t鑄造起重機主要用于在鋼水跨將鋼水吊運至連鑄回轉大包臺上，承受300 t鋼水轉運工作。該機整體結構形式為四梁六軌式，屬于特大噸位鑄造起重機。其四根主梁上鋪設六根軌道，副小車占用內側兩根軌道，在兩根內主梁內側腹板上方鋪設的軌道上運行；主小車占用四根軌道，在外主梁內側腹板上方和內主梁外側腹板上方鋪設的軌道上運行。內外主梁之間用鉸軸連接，兩根內主梁之間用連桿連接，結構簡圖如圖1所示。

圖1 450t鑄造起重機結構簡圖

由于該起重機工作頻繁，承載重，需要定期進行專門的安全檢查。近一段時間，對上述起重機橋架金屬結構進行無損探傷時，發現主梁主腹板端部與端梁的連接處出現了嚴重的疲勞裂紋，威脅著該起重機的安全生產。圖2為該裂紋的現場實拍照片及其裂紋部位尺寸示意圖。

圖2 主梁端部裂紋及示意圖

2 現場測試

為了分析該裂紋產生的原因，以便有針對性地加固處理，特對該起重機金屬結構的危險部位進行了現場的應力測試。

2.1 測點布置

應力信號采用電阻應變片來測取，其貼片位置如圖3所示，其中1#、2#、3#應變片組成一個應變花，用于測取外主梁南端的應力狀況，4#應變片位于主梁跨中下蓋板處，用于測取主梁跨中的正應力，5#、6#位于主梁北端，分別與1#、3#相對應便于比較。

圖3 應變片布置示意圖

2.2 應力測試結果及分析

帶負載測試是在該起重機正常工作狀態下進行的。大、小車分別做相應的運動，到達鋼水罐存放位置，吊起鋼水罐（450t），再次分別運動。整個工況下主梁端部動態等效應力和剪應力信號如圖4所示（調零位置：主小車位于橋架北端）。

從圖中可以看出：整個歷程中最大值出現在起重機做復合運動時，負載主小車位于南極限瞬間，此時，等效應力穩定值達到57.8MPa，剪切應力穩定值達到55.5MPa，考慮到動態效應，最大等效應力達到73.4MPa，最大剪切應力達到70.8MPa。從圖4可以看出，等效應力的變化幅值高達67.4MPa，剪切應力的變化幅值高達59.9MPa。此外，從起吊額定載荷來看，雖只測取了一個工作循環，但從圖4可以看出，由于大車運行，導致主梁端部測點處（即該起重機開裂處）出現較大應力幅值的循環數至少有10次之多。正是在同一工作循環中因大車運行存在如此多的高應力循環，使得主梁端部疲勞強度不足，導致該處出現疲勞裂紋。

圖4 外主梁南端應變花計算等效應力和剪應力

3 有限元仿真分析

3.1 仿真模型的建立

現場測試的應力是活動載荷引起的測點處的應力，并不是測點的全部應力，實測只能獲得測點處的應力。為了全面了解該起重機橋架結構的應力分布規律，以橋架結構為對象，進行了有限元仿真分析。

鑄造起重機橋架金屬結構比較復雜，在建立有限元模型時對于分析結果影響不大的部位做了適當的簡化，去掉了一些輔助的欄桿、加強筋板、走臺、扶梯、配電管道等。主體為箱形結構，箱形結構的特點是板材長寬尺寸遠大于其厚度尺寸，所以在進行總體分析的時候對箱形梁選用殼單元進行分析。所建立的有限元模型見圖5。

圖5 450t起重機有限元分析模型

3.2 邊界條件

在進行有限元建模時，可將吊車的車輪處視為鉸支座，將一端作為固定鉸支座，則另一端為一個活動鉸支座，按這一思想對吊車的有限元模型施加約束。計算載荷為：①起升載荷，主起升額定載荷450t，副起升額定載荷80t；②小車自重載荷：主小車247.24t；副小車32.181t；③橋架自重載荷（通過重力加速度施加）。動載系數為1.05 (實測所得)，運行沖擊系數取1.2。

3.3 計算結果

（1）載荷工況1的計算結果。載荷工況1是滿載小車居跨中，不計橋架自重載荷，以與實測結果對照。應變片測點位置處應力場如圖6所示。

圖6 測點位置應力圖

從圖6可以看出，滿載小車處跨中時，仿真得出的主梁主腹板端部的測點處最大應力為69.8MPa。而測點測試最大等效應力為73.4MPa，誤差為6.3%。表明仿真結果與實測結果吻合良好。

（2）載荷工況2的計算結果。載荷工況2是考慮主梁端部結構承受最大負載是處于最危險情況下的一種工況：滿載小車居跨端，并考慮橋架自重。取運行沖擊系數1.2，模擬滿載小車處于跨端且大車處于運行狀態。該工況下的總體結構應力場見圖7。

圖7 活動載荷在跨端時橋架整體的應力圖

在這種載荷工況下，橋架中的最大應力處于主梁端部彎板處，即主梁端部開裂處。該處局部應力分布的放大圖見圖8。

從圖7可以看出，在最危險工況下，主梁端部的最大應力為184MPa。

圖8 主梁端部局部放大圖

4 主梁端部結構加強方案及其仿真結果

為了加強主梁端部的強度，提高其抗疲勞能力，提出主梁端部的局部加強方案，見圖9所示。加強板厚度與原主梁腹板厚度接近，為20mm。

用主梁端部補焊加強板后的有限元模型再次提交計算機進行計算，得到在最危險工況下，其主梁端部的最大應力已從184MPa下降到144MPa，降低應力水平21.7%，效果明顯，可以大大提高橋架的抗疲勞能力。本加固方案于2010年5月實施，運行兩年效果良好。

5 結語

通過現場應力測試和有限元仿真分析，可以得出如下結論。

圖9 鑄造起重機主梁端部加強圖

（1）當滿載小車處于端部，大車運行時，主梁端部的應力水平達到了184MPa。過高的應力水平導致該處產生疲勞裂紋。這就是該車主梁端部開裂的原因。

（2）在相同載荷工況下，所建立的有限元分析模型的仿真結果與測試結果吻合良好，表明仿真結果能反映該吊車的實際應力分布規律。

（3）提出了在主梁端部局部加強的改進方案，通過對加強方案進行有限元仿真分析，在同一危險載荷工況下，主梁端部的最大應力已從184MPa下降到了144MPa，可以有效地提高該處的抗疲勞能力。