1 300 t橋式起重機主小車、吊具梁試驗研究*

黃 金 張 君 文 豪 王全偉 王超凡

1太原科技大學機械工程學院 太原 030024 2太原理工大學機械與運載工程學院 太原 030024

0 引言

橋式起重機（以下簡稱橋機）在大型機械設備運輸、調配工作中發揮著不可替代的作用，也是國家規定的特種設備之一[1]。橋機的骨架是金屬結構，金屬結構傳遞和承受著來自工作時的各種載荷，金屬結構的工作狀態和工作情況直接影響到起重機的工作壽命、工作效率，一旦發生故障損壞起重機，將造成巨大的直接或間接的損失，更嚴重會威脅到工作人員的生命安全。

本文通過起重機金屬結構的強度測試，設置由不同大小載荷與小車不同位置組合而成的不同工況，比較各測點應力值與載荷的關系，通過數據分析證明了跨中結構以及端部結構的強度安全。

1 1 300 t橋機主要技術性能

1.1 起升機構技術性能

當起升電動機通電后，通過聯軸器經減速器空心軸驅動卷筒旋轉，使卷筒上纏繞的鋼絲繩或纜線進一步帶動吊鉤裝置做上升和下降運動。因此，起升機構是保障起重機提升物品必備的構成機構，面對不同的起升高度、聯軸器以及支持架的配置也會發生改變。為了保證整臺起重機的工作性能，必須嚴格維持起升機構工作的平穩。本文敘述了1 300 t主小車和160 t副小車的起升速度、起升高度以及工作制度和電動機功率等技術性能，具體性能參數如表1所示。

表1 起升機構技術性能

1.2 運行機構技術性能

起重機運行機構主要由驅動裝置、運行支承裝置、安全裝置等部分組成，包括工作性運行機構和非工作性運行機構，其作用是使起重機或起重小車作水平直線運動。工作性運行機構主要用于水平運移物品，非工作性運行機構只是用來調整起重機或小車的工作位置。根據運行軌道的不同又分為有軌運行機構和無軌運行機構。有軌運行機構要在專門鋪設的軌道上運行，負載大、運行阻力小，缺點是作業范圍要受軌道的限制；無軌運行機構擺脫了軌道的限制，通過采用輪胎或履帶可行走在普通道路上，有良好的機動性。本文介紹了運行機構相關技術性能，具體性能參數如表2所示。

表2 運行機構技術性能

1.3 計算所用設計參數

根據試驗需要，確定計算所用的設計參數，主梁形式為偏軌箱形梁，副主梁形式為正軌箱形梁，主梁高為3 650 mm，副主梁高為2 600 mm，主梁跨度為29 300 mm，主梁上蓋板寬為2 655 mm，副主梁上蓋板寬為900 mm，主梁上蓋板厚為32 mm，副主梁上蓋板厚為24 mm，主梁腹板厚為18 mm（主）、12 mm（副），副主梁腹板厚為10 mm，主小車軌距為7 360 mm，副小車軌距為3 000 mm，主梁兩端第一塊大肋板間的實測長度為2 800 mm，主小車質量為321.76 t，吊具質量為63.02 t。

1.4 試驗檢測依據

本試驗依據GB 5905－2011《起重機試驗規范和程序》、GB/T 3811－2008《起重機設計規范》、GB/T 14405－2011《通用橋式起重機》、GB/T 6067.1－2010《起重機械安全規程.第1部分：總則》、TZ標準等相關資料。

2 起重機金屬結構強度測試

2.1 測點布置與試驗工況

1）主小車

主小車共設置2個測試部位，端梁下蓋板1個，端梁腹板圓孔附近1個。端梁下蓋板測試部位為單應變片，記為測點14，位于端梁下蓋板下表面中點；端梁腹板圓孔附近測試部位為應變花，位于圓孔右側，記為測點15、測點16、測點17[2]。具體位置如圖1、圖2所示。

圖1 主小車測試部位

圖2 主小車測點簡圖

2）吊具梁

吊具梁共設置2個測試部位，其中吊具梁主梁上蓋板1個，吊具梁主梁腹板變截面處中下部1個[3]。吊具梁主梁上蓋板部位為單應變片，記為測點18，位于上蓋板上表面中點。腹板變截面處部位為應變花，記為測點19、測點20、測點21[4]。具體位置如圖3、圖4所示。

圖3 吊具梁測試部位

圖4 吊具梁測點簡圖

2.2 試驗工況

工況由不同大小載荷與小車不同位置組合而成，以額定載荷1 300 t為基準，分別施加75%、100%、110%、125%共4擋載荷，對應載荷數值分別為975 t、1 300 t、1 430 t、1 625 t[5]。

3 試驗步驟及結果分析

本試驗分為3部分：1）試驗準備，選擇測試部位，安裝應變計及信號線；2）試驗開始，小車空載位于主梁跨端，應力測試系統初始狀態為零；3）記錄試驗數據，在實際工作載荷狀態下，實時記錄各測試部位的應變或應力變化過程。

3.1 烏東德左岸1 300 t橋機

1）75% 載荷（975 t）

以額定載荷1 300 t為基準，施加75%的載荷，對應載荷數值為975 t。其中最大主應力為σ1，最小主應力為σ2，最大切應力為τmax，最大主應力角度為θ，根據小車施加載荷位置的不同分為跨中、13.15 m、10.5 m、8.9 m、7 m等5種工況。工況1為載荷975 t位于跨中時，見表3；工況2為載荷975 t位于13.15 m處時，見表4；工況3為載荷975 t位于10.5 m處時，見表5；工況4為載荷975 t位于8.9 m處時，見表6；工況5為載荷975 t位于7 m處時，見表7。

表3 工況1的測點數據 kPa

表4 工況2的測點數據 kPa

表5 工況3的測點數據 kPa

表6 工況4的測點數據 kPa

表7 工況5的測點數據 kPa

2）100% 載荷（1 300 t）

以額定載荷1 300 t為基準，施加100%的載荷，對應載荷數值為1 300 t。根據載荷位置不同分為跨中、13.2 m、12 m、10.7 m、10.5 m等5種工況。工況6為載荷1 300 t位于跨中時，見表8；工況7為載荷1 300 t位于13.2 m處時，見表9；工況8為載荷1 300 t位于12 m處時，見表10；工況9為載荷1 300 t位于10.7 m處時，見表11；工況10為載荷1 300 t位于10.5 m處時，見表12。

表8 工況6的測點數據 kPa

表9 工況7的測點數據 kPa

表10 工況8的測點數據 kPa

表11 工況9的測點數據 kPa

表12 工況10的測點數據 kPa

3）110%載荷（1 430 t）

以額定載荷1 300 t為基準，施加110%的載荷，對應載荷數值為1 430 t。根據載荷位置不同分為跨中和12 m處2種工況。工況11為載荷1 430 t位于跨中時，見表13；工況12為載荷1 430 t位于12 m處時，見表14。

表13 工況11的測點數據 kPa

表14 工況12的測點數據 kPa

4）125%載荷（1 625 t）

以額定載荷1 300 t為基準，施加125%的載荷，對應載荷數值為1 625 t。分析載荷位于跨中時的工況，工況13為載荷1 625 t位于跨中時，見表15。

表15 工況13的測點數據 kPa

3.2 烏東德右岸1 300 t橋機

以額定載荷1 300 t為基準，分別施加100%載荷、110%載荷，對應載荷數值為1 300 t、1 430 t。施加100%載荷，分析載荷位置分別位于跨中、6 m時的工況。施加110%載荷，分析載荷位于跨中時的工況。工況1為載荷1 300 t位于跨中時，見表16；工況2為載荷1 300 t位于6 m處時，見表17；工況3為載荷1 430 t位于跨中時，見表18。

表16 工況1的測點數據 kPa

表17 工況2的測點數據 kPa

表18 工況3的測點數據 kPa

3.3 結果分析

1）主小車數據分析 比較4擋載荷分別施加在跨中時主小車上各測點應力值，可得到圖5所示主小車各測點應力值與載荷大致呈線性關系，且主小車上2測點的應力值相差不大（最大為4%）[6]。在相同擋載荷作用下，隨著載荷位置的改變，主小車各測點應力變化不大，說明主小車測點應力與載荷位置無關，只與載荷大小有關系，與設計假設一致[7]。

圖5 主小車各測點應力與載荷位置關系

2）吊具數據分析 比較3擋載荷分別施加在跨中時吊具上各測點應力值（110%載荷下未做吊具測試），可得到圖6所示吊具各測點應力值與載荷大致呈線性關系[8]。在相同擋載荷作用下，隨著載荷位置的改變，吊具各測點應力變化不大，說明吊具測點應力與載荷位置無關，只與載荷大小有關系，與設計假設一致，如圖7所示。

圖6 跨中位置吊具各測點應力與載荷關系

圖7 吊具各測點應力與載荷位置關系

4 結論

在額定載荷、1.1倍額定載荷及1.25倍額定載荷且主小車位于跨中的工況下，大車主梁下蓋板中點、主小車端梁下蓋板中點、吊具梁主梁上蓋板中點等關鍵截面應力均小于許用應力，說明跨中結構強度安全。

在額定載荷、1.1倍載荷及1.25倍載荷且主小車位于跨端的工況下，大車端部各點等效應力均小于許用應力，說明端部結構強度安全。