起重機(jī)拱度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

吳 磊

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院揚(yáng)州分院 揚(yáng)州 225200

0 引言

起重機(jī)是現(xiàn)代企業(yè)中用于搬運(yùn)或者吊裝設(shè)備的重要裝置，起重機(jī)的拱度預(yù)制是在建造施工過程中一道重要的工序，目的是在主梁承受自重和所受載荷的情況下彌補(bǔ)起重機(jī)主梁的下?lián)献冃瘟俊Ｆ鹬貦C(jī)的主梁拱度預(yù)設(shè)過大會(huì)增加小車運(yùn)行時(shí)的爬坡附加阻力，過小在受載后主梁可能會(huì)出現(xiàn)向下的斜坡，從而導(dǎo)致小車發(fā)生溜車現(xiàn)象。在不同的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)起重機(jī)拱度要求也不一致。以電動(dòng)單梁為例，JB/T 1306－2008《 電動(dòng)單梁起重機(jī)》對(duì)拱度要求是：主梁最大上拱度應(yīng)位于跨度中部S/10范圍內(nèi)。未做靜載試驗(yàn)前，主梁上拱度F推薦值為(1/1 000～1.4/1 000)S[1]。GB/T 14405—2011《通用門式起重機(jī)》的要求是：起重機(jī)做靜載試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)能承受1.25倍額定起重量的試驗(yàn)載荷，其主梁不應(yīng)產(chǎn)生永久變形。靜載試驗(yàn)后的主梁：當(dāng)空載小車在極限位置時(shí)，上拱最高點(diǎn)應(yīng)在跨度中部S/10范圍內(nèi)，其值不應(yīng)小于0.7S/1 000。試驗(yàn)后進(jìn)行目測(cè)檢查，各受力金屬結(jié)構(gòu)件應(yīng)無裂紋、永久變形，無油漆剝落或?qū)ζ鹬貦C(jī)的性能與安全有影響的損壞，各連接處也應(yīng)無松動(dòng)或損壞[2]。

1 起重機(jī)拱度對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

1.1 模型建立及預(yù)處理

為了分析出起重機(jī)的拱度對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，本文建立了4個(gè)殼模型，該起重機(jī)的額定起重量為32 t，跨度為28.5 m，工作級(jí)別為A5。主梁為雙梁設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主梁結(jié)構(gòu)圖

由于本文只分析拱度對(duì)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，所以僅建立主梁的模型，主梁模型如圖2所示。本文所建立的4個(gè)模型的拱度分別為0、0.5S/1 000、1.0S/1 000、-1.0S/1 000。根據(jù)起重機(jī)施工圖紙及拱度值，分別建立起重機(jī)的模型，對(duì)分析模型進(jìn)行前處理等工作。該起重機(jī)材質(zhì)為Q235，起重機(jī)主要受力結(jié)構(gòu)鋼板厚度在14 mm以下。由于Shell 181非常適合薄至中等厚度的殼形結(jié)構(gòu)，故采用Shell 181單元對(duì)主梁的有限元模型劃分網(wǎng)格。

圖2 殼模型圖

1.2 載荷的確定

已知，該起重機(jī)小車自重為8 995 kg，起升動(dòng)載荷系數(shù)φ2的確定可表示為

由于該起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)采用變頻器控制，起升過程比較平穩(wěn)，故起升狀態(tài)級(jí)別定位HC2。通過GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》查詢HC2所對(duì)應(yīng)β2、φ2min的值分別為0.34、1.10。由起重機(jī)參數(shù)可知，該起重機(jī)的穩(wěn)定起升速度為0.08 m/s，從而計(jì)算得出φ2的值約為1.13[3]。

由于軌道接頭狀態(tài)良好，并已做了打磨處理，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式運(yùn)行沖擊系數(shù)φ4取1.0。

1.3 載荷的施加

小車的自重及所吊運(yùn)的載荷通過車輪施加在起重機(jī)的小車軌道上。

1.4 主梁的應(yīng)力分析

分別在4個(gè)模型的起重機(jī)主梁上施加載荷，得出計(jì)算結(jié)果，如圖3所示，統(tǒng)計(jì)的計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3 不同拱度對(duì)于相同載荷的應(yīng)力值及截面

圖4 起重機(jī)上下蓋板應(yīng)力與拱度關(guān)系表

圖5 拱度與結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力關(guān)系表

由圖4可知，起重機(jī)跨中的上下蓋板應(yīng)力與起重機(jī)拱度的變化無關(guān)，符合材料力學(xué)原理，從而證明了4個(gè)模型的正確性。

由圖5可知，隨著起重機(jī)拱度的增加，主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的最大應(yīng)力值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在拱度達(dá)到1.0S/1 000時(shí)，最大應(yīng)力相較無拱度的情況下降了42.684 MPa，這種程度的下降對(duì)起重機(jī)的內(nèi)部疲勞有相當(dāng)大的改善、由此可知，隨著起重機(jī)不斷的承受交變載荷，其內(nèi)部疲勞的出現(xiàn)，甚至一些吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)還會(huì)產(chǎn)生熱疲勞，不可避免會(huì)出現(xiàn)金屬內(nèi)部的滑移現(xiàn)象，起重機(jī)拱度會(huì)隨使用逐步降低甚至出現(xiàn)下垂的現(xiàn)象。在產(chǎn)生了這一現(xiàn)象以后，其結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值相對(duì)無拱度的情況會(huì)進(jìn)一步增大，在此過程中尚未考慮金屬材質(zhì)內(nèi)部劣化的情況，如果考慮材料的劣化情況，起重機(jī)的局部工作應(yīng)力很可能超越許用應(yīng)力。所以，若在檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)起重機(jī)拱度已消失或已出現(xiàn)下垂現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)對(duì)起重機(jī)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，防止其工作應(yīng)力超過許用應(yīng)力情況發(fā)生。

2 起重機(jī)的拱度對(duì)疲勞的影響

起重機(jī)在制造過程中基本使用鈑焊拼接工藝，在使用中持續(xù)承受交變載荷，易出現(xiàn)金屬疲勞損傷，會(huì)產(chǎn)生熱疲勞，或在制造過程中存在初始裂紋，需要在裂紋擴(kuò)展的基礎(chǔ)上進(jìn)行壽命估算，為此針對(duì)不同疲勞需要有不同的分析方法[4-6]。

目前，常溫金屬結(jié)構(gòu)疲勞分析理論主要采用線性疲勞積累損傷理論中的Miner法則，材料在各應(yīng)力水平下的疲勞損傷獨(dú)立進(jìn)行，總損傷可以線性疊加，當(dāng)積累到某一數(shù)值時(shí)材料或構(gòu)件發(fā)生破壞。Miner法則假設(shè)：構(gòu)件所吸收的能量達(dá)到極限值時(shí)產(chǎn)生疲勞破壞，如果破壞前可吸收能量極限值為w，構(gòu)件破壞前縱循環(huán)數(shù)為N，在某一循環(huán)n1時(shí)構(gòu)件吸收的能量為W1，則其吸收的能量與循環(huán)數(shù)間存在正比關(guān)系，即

這樣，構(gòu)件的加載歷程由m個(gè)不同的應(yīng)力水平構(gòu)成，各應(yīng)力水平下又對(duì)應(yīng)著m個(gè)不同疲勞壽命和循環(huán)次數(shù)，則損傷為

此時(shí)，構(gòu)件吸收能量達(dá)到極限值W，即發(fā)生疲勞破壞[7]。

在對(duì)主梁進(jìn)行疲勞分析前，需要選取合適的材料疲勞曲線。然而，材料精確的疲勞曲線很難獲得，為此考慮采用Asme標(biāo)準(zhǔn)的適合碳鋼材料的疲勞分析曲線，將Asme標(biāo)準(zhǔn)中的材料數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到疲勞分析中使用的材料曲線。材料的疲勞壽命曲線如圖6所示。

圖6 疲勞壽命曲線

起重機(jī)的疲勞僅與載荷的變化相關(guān)，計(jì)算的目的是探究出拱度對(duì)疲勞的影響有多大，在計(jì)算過程中僅考慮跨中受載的情況，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行疲勞分析的具體流程如圖7所示。

圖7 疲勞分析流程

在計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算后，得到圖8所示主梁疲勞壽命云圖，由于疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在內(nèi)部，故圖中僅展示疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)所在部位。將圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終得到圖9所示起重機(jī)拱度與疲勞壽命之間的關(guān)系。

圖8 起重機(jī)主梁的疲勞壽命云圖

圖9 拱度與疲勞壽命關(guān)系表

由圖9可知，在相同工況時(shí)，起重機(jī)使用壽命隨著起重機(jī)拱度的增加而得到較大提高，查閱GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中起重機(jī)工作級(jí)別的劃分，對(duì)應(yīng)A5的工作級(jí)別，起重機(jī)在Q4的載荷狀態(tài)級(jí)別情況下，其使用等級(jí)應(yīng)當(dāng)要達(dá)到U3級(jí)別，起重機(jī)的總工作循環(huán)次數(shù)應(yīng)達(dá)到6.30×104＜CT≤1.25×105，，圖9中的4種拱度狀態(tài)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但隨著拱度的增加在達(dá)到1.0S/1 000情況時(shí)，相對(duì)無拱度的起重機(jī)疲勞壽命得到了翻倍提升，在未增加很多成本的情況下起重機(jī)的經(jīng)濟(jì)性得到較大提升。

3 結(jié)束語

綜上所述，起重機(jī)拱度對(duì)于降低起重機(jī)內(nèi)部的最大應(yīng)力和增加起重機(jī)的使用壽命有著非常大的影響，在不增加很多成本的情況下可大大延長(zhǎng)起重機(jī)的使用壽命，所以起重機(jī)施工過程中應(yīng)加大對(duì)拱度的重視，確保設(shè)備的安全使用。