主梁下撓對起重機安全性能的影響及解決方案

陳希楊

（福建省勞安設備技術開發中心，福建福州 350001）

0 引言

據國家市場監督管理局關于2019 年特種設備安全狀況的通報，我國的起重機械保有量已達到245 萬余臺。從歷年市場監督管理總局（原質監總局）特種設備的事故統計分析，起重機安全事故的出事率逐年居高不下，其中有人為的操作因素，也有設備本身不安全因素引起的事故，其中主梁下撓問題一直是起重機械事故的一個重要原因。鑒于此種情況，對起重機主梁下撓問題進行研究，同時也對下撓的各種情況進行探討，及在各種情形下的使用情況，盡量避免因此而產生的危害。本文主要從理論上對起重機械主梁的相關要求和大量實際工作兩個方面，分析其形成原因，并總結預防措施。

1 主梁下撓成因分析

有多方面的原因能夠引起起重機械的主梁下撓，通過理論分析和檢驗工作實踐總結，得出最常見是設計、制造、運輸、安裝和使用等方面的原因。

1.1 設計原因

我國最早的起重機械設計理論參照的是蘇聯的標準，對主梁靜剛度按S/700 進行設計，而且標準對疲勞計算未作要求。采用此標準作為起重機械的設計標準時，考慮到我國鋼材物理性能與國外鋼材的差距，如果生產過程中過度關注起重機械的輕量化，會造成所設計的主梁界面尺寸偏小，腹板偏薄，其剛度差，主梁在使用過程中，即使不超重使用，也可能過早的產生下撓變形[1]。

檢驗中經常遇到有些起重機械采用的是箱型主梁，這類主梁結構比較特殊，一般采用焊接結構。用焊接方法制造的主梁，最大的問題在于其焊接應力較為復雜。對鋼材進行焊接時，由于焊接過程可以比擬成為一次熔融金屬再結晶的過程，焊縫及其附近區域，在由高溫到低溫的過程中，由于金屬收縮，會產生殘余應力。有研究表明，這些殘余應力達到一定的數量級，會引起主梁變形。從理論上分析，主梁焊縫附近殘余應力呈以下特征：上、下蓋板焊縫附近為拉應力，中間為壓應力；腹板焊縫附近為拉應力，中間為壓應力。起重機械的實際使用過程中，主梁承載前后的應力是有區別的，不僅僅是焊接工藝的影響，還存在諸如制造材料的自身內應力，主梁的成拱制造工藝都會產生應力[2]。制造時，主梁腹板不按成拱的要求選用材料、通過火焰矯正或強力矯正來進行上拱成型，都會使箱型梁的內應力變得復雜。在檢驗中發現，采用鉚接梁或焊接桁架梁其下撓變形控制的較好，不易出現上述問題。

1.2 制造工藝原因

主梁拱度的成拱方法不同，對主梁拱度的保持具有不同的影響。隨著制造技術的不斷提高，成拱方法所帶來的影響有逐漸減小的趨勢。下面概述常用的三種成拱方法對拱度的影響。

（1）敲打法。梁的腹板下料時不作預留，在焊接完成之后，采用風錘在上蓋板和腹板連接焊縫之間進行錘擊，釋放焊接殘余應力的同時，使其產生部分不可逆的塑性變形；同時對下蓋板采取火焰加熱和重錘頂壓的方法也產生一定的塑性變形，以達到標準要求的拱度。其優點在于上蓋板的應力得以釋放，缺點是下蓋板的應力不但沒有釋放，而且會由于重錘的頂壓和加熱產生新的不可預知的應力，而且錘壓會使鋼材產生硬化，硬度上升塑性下降。因此，采用這種方法形成的拱度不穩定，下梁受力時易產生塑性變形，降低拱度。

（2）局部加熱法。主梁腹板下料平直，通過控制主梁焊縫焊接順序使拱度達到要求的方法。其關鍵在于利用了鋼材的熱塑性，使其產生了上拱的殘余變形，缺點是殘余應力值較大，在外載荷的作用下，拱度不穩定，有減小的趨勢。

（3）預成型法。在箱型梁制造成形時，將主梁的腹板下料成拱形。由于主梁上部分焊接的筋板較多，焊接殘余應力也比下部分大，因此其收縮也大。基于這個原因分析，腹板拱度一定要比制成的主梁拱度大。標準規定：腹板下料時，因保持F=（2.5-3.5）S/1000的上拱量，單根主梁拼焊后保持1.8S/1000 上拱量；橋架組裝并焊接軌道后，出廠時應保證其上拱量為S/1000。與敲打法和局部加熱法相比，預成型法由于其腹板下料成拱形，受載后拱度消失情況比前者小得多。由此可見，制造方法對拱度的影響較大。

1.3 使用條件的影響

使用單位一般將車間的生產能力、設備重量和使用環境等作為主要因素來購置起重機，安裝的起重機一般滿足當時選擇的參數。檢驗過程中發現有的單位因生產擴大等原因超負荷使用，如超載使用；吊拔使用場所中未知重量的埋設物；鋼絲繩未做好預備措施就起吊；制動器故障；重物沖擊等，使主梁下撓發生破壞，不符合標準要求。

1.4 腹板波浪變形的影響

根據力學理論，起重機主梁吊運重物時，腹板承受剪切應力。腹板正常時，剪切變形對于撓度的影響幾乎可以忽略不計。但當腹板存在較大的波浪變形時，這種影響將成倍體現。有研究表明，此時剪切變形產生的撓度與波浪數值的平方成正比。隨著剪切變形的增大，腹板的壓應力也增加，會造成彎曲。當小車在主梁上來回運行時，腹板的受力在45°對角線方向呈時而受拉時而受壓的反復交替，這種反復交替的力和腹板本身的波浪變形相疊加，可能會導致腹板產生殘余的塑性變形[3]。因此，腹板原始波浪變形越大，其主梁下撓也越大，進而導致受壓區域的彎曲應力也越大，如此惡性循環，由于腹板波浪變形而導致的下撓就會越來越嚴重。

1.5 溫度的影響

在起重機械定期檢驗過程中發現，工作環境溫度較高的起重機械，其下撓相對而言更為嚴重。特別是吊運熔融金屬的起重機，長期在溫度較高的環境下使用，再加上所吊運工件熱輻射共同作用，會導致大梁上下蓋板的溫度差值較大，其中下部分因距離近受熱輻射大而伸長，從而導致主梁拱度自然減小。對于這類起重機械，應在主梁的下蓋板采取有效的隔熱措施，以減少因溫度差異對撓度產生的不利影響。

1.6 安裝過程中的不規范操作

起重機械新裝或者移裝時，其橋架的存放、搬運、起吊和安裝的方法均對下撓有影響。橋架屬于長徑比較大的金屬構件，制造時的焊接殘余應力較大，這些應力在不合理的存放、搬運、起吊和未按照規程安裝的情況下，主梁的下撓會受到嚴重影響。

1.7 維修工藝不當

維修起重機械主梁時，應在維修前編制相關的維修工藝，否則在橋架上進行氣割、焊接等熱加工時，會影響主梁的下撓。對于小車軌道的安裝，一般采用壓板直接焊接在主梁蓋板上的方式，工藝比較簡單實用，但如果小車輪存在啃軌的起重機械，軌道更換的次數越多，割舊焊新，主梁更容易下撓。建議在拆換小車軌道時，采用電弧氣刨或風鏟等方法，避免采用加熱的工藝方法。壓板在氣割或焊接時宜將主梁中間頂起，這樣可大大減少加熱所引起的下撓變形。如果小車軌道采用螺栓固定壓板，就免去了割、焊加熱的影響。

2 主梁下撓的影響及危害

橋式起重機主梁是起重機主要結構件,在吊運重物的情況下，主梁下撓幾乎難以避免,其應保持在規定的范圍內，如果下撓超過了規定值，則可能會影響起重機械的安全運行，不及時修復會對人身和財產造成威脅。通過大量的起重機械檢驗經驗，對主梁下撓出現的問題進行總結分析，得出其對起重機械的影響有以下7 個方面。

（1）影響小車運行。主梁下撓會導致小車在主梁上運行時阻力增大。當阻力增大40% 時，將降低小車運行機構壽命或者容易損壞機構零件，增大動力消耗，嚴重時將燒壞電機。另一方面，由于坡度的影響，小車停機時無法精確定位，對于車間有些對設備定位精度高的場合，影響其使用，嚴重者發生事故。

（2）影響大車運行。主梁的下撓，對集中傳動的大車運行機構影響很大，它將使傳動軸在受彎矩的作用下旋轉。傳動軸轉速越高，造成的后果越嚴重，另外，動力消耗也越大。

（3）影響主梁水平旁彎和腹板。由于主梁下撓，常常引起主梁向內側水平旁彎。若旁彎超過一定值，小車軌距就要超差。當超差過大時，小車車輪會發生啃道和夾軌現象，同時小車運行阻力也增大，動作遲緩，嚴重時，在大車受到振動的情況下，還會引起小車脫軌。

（4）主梁下繞往往伴隨主梁水平彎曲，局部腹板翹曲變形，腹板與上蓋板連接處焊縫開焊、腹板與下蓋板連接出現裂紋，主梁幾何尺寸的改變會改變橋架及大小車跨度的尺寸。

（5）主梁下繞對集中驅動的大車運行機構影響較大。主梁下繞程度嚴重，小車車輪形成“三條腿”現象，長期運行小車易產生疲勞損傷和裂紋。

（6）下繞造成的啃軌現象，會增加運行阻力，加速車輪、軌道磨損。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筋板處，久而久之使端梁容易開焊或產生裂紋。

（7）對主梁和端梁連接處的影響。主梁下繞引起啃軌，是橋架頻繁地由矩形向平行四邊形交變，主梁和端梁的T 形連接處，豎向角焊縫抵抗此類變形的能力很差，久之必產生危害。

3 預防措施

（1）起重機供貨單位根據使用單位設備的利用等級和載荷狀態，合理選定起重機的額定起重量和工作級別。

（2）嚴禁超載使用。

（3）在高溫區域作業時，下翼緣板采取隔熱措施；不用時不能停放在高溫區域。

（4）嚴格遵守定期檢驗制度，加強日常檢查。

4 結術語

主梁作為起重機械的重要構件，了解其下撓的成因和產生的危害，對于預防起重機械事故的發生和保障生命財產安全具有重要意義。