在工廠所使用的橋式起重機(jī)中主要的金屬結(jié)構(gòu) 就是橋架，橋架由主梁、端梁、欄桿、走臺(tái)板等組 成。主梁為承載吊物的最主要的受力結(jié)構(gòu)，一般為 箱型梁。主梁是典型的焊接結(jié)構(gòu)[1]。由于冶金行業(yè) 連續(xù)化生產(chǎn)節(jié)奏的日益加快，起重機(jī)工作繁忙，在 使用一段時(shí)間后容易在應(yīng)力集中的部位發(fā)生危險(xiǎn)裂 紋。通常的維修方案僅是對(duì)裂紋部位進(jìn)行處理，例 如打止裂孔、對(duì)裂紋打磨補(bǔ)焊等。這些僅憑經(jīng)驗(yàn)的 修復(fù)方案，效果并不理想，在唐鋼二鋼軋廠、唐鋼 物流公司等單位都出現(xiàn)過(guò)修復(fù)后的箱型主梁再次開 裂現(xiàn)象。這不單會(huì)影響生產(chǎn)，也對(duì)生產(chǎn)安全構(gòu)成極 大的威脅。如何避免安全問(wèn)題發(fā)生是技術(shù)人員首要 解決的一大難題。

現(xiàn)狀 

唐鋼一鋼軋廠成品庫(kù)現(xiàn)有3部QD32/5T-28.5M 通用橋式起重機(jī)，于2004年投入使用，工作級(jí)別為 A6，負(fù)責(zé)成品鋼卷的入庫(kù)及發(fā)貨，日常生產(chǎn)繁忙。 點(diǎn)檢人員在一次對(duì)設(shè)備的周期檢查中發(fā)現(xiàn)，其中一 臺(tái)在箱型主梁南端靠近端梁腹板的彎角部位發(fā)現(xiàn)了 宏觀可見的裂紋，位置如圖1所示，維修人員利用生 產(chǎn)間隙對(duì)裂紋兩端打止裂孔處理，但僅維持了幾周 后，裂紋繼續(xù)發(fā)生擴(kuò)展。

有限元分析

由于橋架主梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率，依照?qǐng)D紙實(shí)際尺寸對(duì)此起重機(jī)一側(cè) 箱型主梁應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，同時(shí) 去除欄桿、扶梯、走臺(tái)板、線槽等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響 極小的部件來(lái)簡(jiǎn)化模型，提高計(jì)算的精準(zhǔn)性。因模 型的相互轉(zhuǎn)換格式難免會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，首選 圖2 橋架主梁有限元模型 SolidWorks中集成的分析工具SolidWorks Simulation 有限元軟件對(duì)此主梁進(jìn)行分析及處理。因主梁鋼結(jié) 構(gòu)主要由多種不同規(guī)格的鋼板整體焊接而成，所以 將橋架整體接觸類型設(shè)置為全局結(jié)合，對(duì)于厚長(zhǎng)比 大于1/30的鋼板或長(zhǎng)構(gòu)件選擇對(duì)應(yīng)的殼單元或梁?jiǎn)? 元，其他結(jié)構(gòu)件選擇實(shí)體單元，由于主梁金屬結(jié)構(gòu) 較為復(fù)雜，同時(shí)含有殼、梁及實(shí)體單元，所以主梁 整體采用混合網(wǎng)格劃分。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候， 對(duì)應(yīng)力集中部位(如彎角、拐角等過(guò)渡區(qū)域)做特別處 理，細(xì)化網(wǎng)格；因?yàn)槟Ｐ偷恼w尺寸較大，劃分的 網(wǎng)格則較多，所以對(duì)應(yīng)力變化不大且對(duì)計(jì)算結(jié)果影 響較小的區(qū)域網(wǎng)格可以粗大些以減少模型整體的計(jì)算 量。本模型設(shè)置為混合網(wǎng)格劃分，基于曲率的網(wǎng)格， 雅克比點(diǎn)為4，最大單元735 mm，最小單元147 mm， 網(wǎng)格品質(zhì)為高，劃分完畢節(jié)點(diǎn)數(shù)為70031個(gè)，網(wǎng)格單 元總數(shù)為34518個(gè)，如圖2所示。

起重機(jī)在不同的工況下，主梁受力是不同的。 通過(guò)對(duì)比不同的工況可知，當(dāng)小車處于起重機(jī)最南 端滿載運(yùn)行時(shí)工況最為惡劣。選此工況進(jìn)行有限元 模擬分析，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由應(yīng)力云圖可知 箱型主梁腹板彎角處所受應(yīng)力最大，尤其是腹板與 下彎板接合的區(qū)域應(yīng)力最為集中，也是本文所述的 裂紋產(chǎn)生部位。依據(jù)有限元模擬求得此區(qū)域應(yīng)力最 大值為197.48 MPa，此起重機(jī)箱型主梁鋼板材質(zhì)為 Q235B，理論屈服強(qiáng)度為235 MPa，雖未超過(guò)鋼板理 論屈服極限，但也相對(duì)較為接近。經(jīng)過(guò)查詢相關(guān)文 獻(xiàn)資料可知，通常Q235B鋼板設(shè)計(jì)上的許用應(yīng)力為 168 MPa[2]。可見，在最為惡劣的工況下，實(shí)際應(yīng)力 值是大于設(shè)計(jì)安全應(yīng)力值的。而當(dāng)材料長(zhǎng)期處于大 應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會(huì)造成材料長(zhǎng)期變形而不能恢復(fù)，極 易引起金屬材料的疲勞損壞。應(yīng)力集中提高了金屬材料的變形抗力，降低了塑性，極易成為金屬材料 發(fā)生破壞的起點(diǎn)。因此損壞部位通常發(fā)生在應(yīng)力較 大且集中的區(qū)域，本文所描述的起重機(jī)主梁腹板裂 紋就具有這一特點(diǎn)。因此如何降低應(yīng)力水平，消除應(yīng)力集中，將是修復(fù)方案需要主要解決的問(wèn)題。

裂紋修復(fù)處理 

當(dāng)裂紋發(fā)生后，在維修人員的實(shí)際工作中，通 常采用鉆孔止裂法、裂紋焊合法、鋼板補(bǔ)強(qiáng)法、人工 楔塊法等一種或幾種的組合來(lái)對(duì)裂紋進(jìn)行修復(fù)[3]。結(jié) 合此臺(tái)起重機(jī)箱梁的裂紋情況，為達(dá)到消除應(yīng)力集 中及減小應(yīng)力水平的目的，經(jīng)過(guò)比較，選擇鋼板補(bǔ) 強(qiáng)法，即在開裂板材的應(yīng)力集中部位內(nèi)外對(duì)稱焊接 補(bǔ)強(qiáng)鋼板，這樣就使部分載荷產(chǎn)生的應(yīng)力通過(guò)補(bǔ)強(qiáng) 板進(jìn)行傳遞，大幅的減輕了原始鋼板的應(yīng)力水平， 減小裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，從而使裂紋不再擴(kuò)展，達(dá) 到止裂的目的。

先對(duì)裂紋處打磨補(bǔ)焊。根據(jù)開裂部位尺寸及應(yīng) 力集中區(qū)域面積制作補(bǔ)強(qiáng)鋼板。應(yīng)力集中區(qū)域面積 可依據(jù)圖3應(yīng)力云圖紅色部位計(jì)算求得。補(bǔ)強(qiáng)板板厚 取8 mm(不能超過(guò)母板厚度)，四周打45°坡口圍焊， 離外邊間距250 mm內(nèi)部間距150 mm均勻布孔塞焊， 孔直徑取30 mm左右。在主梁腹板內(nèi)外對(duì)稱設(shè)置，焊 時(shí)采用對(duì)稱焊，以分散應(yīng)力，減小裂紋傾向。修復(fù) 完成后外側(cè)焊接補(bǔ)強(qiáng)鋼板形式如圖4所示(內(nèi)側(cè)補(bǔ)強(qiáng) 鋼板對(duì)稱設(shè)置)。

修復(fù)后的校核 

由于修復(fù)后主梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了變化，需要對(duì) 修復(fù)后的箱型主梁重新建模，將補(bǔ)強(qiáng)板加入到原有的主梁模型中，修正有改動(dòng)的部分模型，然后對(duì)新 模型再次進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。應(yīng)力分析依然選取 最惡劣的工況，通過(guò)對(duì)修正模型進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，得 到修復(fù)后箱型主梁腹板彎角應(yīng)力云圖(圖5)。從對(duì)修 復(fù)主梁靜強(qiáng)度應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)鋼板補(bǔ)強(qiáng) 法修復(fù)后，箱型主梁腹板彎角處應(yīng)力已經(jīng)大幅降低， 應(yīng)力集中區(qū)域也隨之消失。在載荷、受力位置及約束 均保持不變的情況下，主梁腹板彎角處最大應(yīng)力已從 197.48 MPa下降到54.9 MPa，已遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。由 此說(shuō)明修復(fù)方案對(duì)改善危險(xiǎn)部位的應(yīng)力狀況效果顯 著，從根本上消除了裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的可能性。

結(jié)束語(yǔ) 

通過(guò)對(duì)起重機(jī)箱型主梁受力狀況進(jìn)行有限元分 析，找出裂紋發(fā)生的根本原因，并根據(jù)成因預(yù)防治 理，有的放矢，制定修復(fù)方案并予以修復(fù)。然后對(duì) 修復(fù)方案進(jìn)行論證，從校核的結(jié)果可知，修復(fù)后主 梁裂紋區(qū)域的應(yīng)力狀況得到了大幅的改善，增加了 主梁的整體強(qiáng)度，使起重機(jī)裂紋延伸現(xiàn)象得到有效 控制。應(yīng)用此法修復(fù)的起重機(jī)至今運(yùn)行良好。

參考文獻(xiàn)

[1] 殷之平．結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012 

[2] 程靳，趙樹山．?dāng)嗔蚜W(xué)．北京：科學(xué)出版社，2006 

[3] 張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等. 起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京：中國(guó)鐵道 出版社，1998

文章來(lái)源——金屬世界