在工廠所使用的橋式起重機中主要的金屬結(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，起重機工作繁忙，在 使用一段時間后容易在應(yīng)力集中的部位發(fā)生危險裂 紋。通常的維修方案僅是對裂紋部位進行處理，例 如打止裂孔、對裂紋打磨補焊等。這些僅憑經(jīng)驗的 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)過修復(fù)后的箱型主梁再次開 裂現(xiàn)象。這不單會影響生產(chǎn)，也對生產(chǎn)安全構(gòu)成極 大的威脅。如何避免安全問題發(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現(xiàn)有3部QD32/5T-28.5M 通用橋式起重機，于2004年投入使用，工作級別為 A6，負責(zé)成品鋼卷的入庫及發(fā)貨，日常生產(chǎn)繁忙。 點檢人員在一次對設(shè)備的周期檢查中發(fā)現(xiàn)，其中一 臺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)生擴展。

有限元分析

由于橋架主梁為對稱結(jié)構(gòu)，為了減少計算量，提高計算效率，依照圖紙實際尺寸對此起重機一側(cè) 箱型主梁應(yīng)用SolidWorks軟件進行三維建模，同時 去除欄桿、扶梯、走臺板、線槽等對計算結(jié)果影響 極小的部件來簡化模型，提高計算的精準性。因模 型的相互轉(zhuǎn)換格式難免會產(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 有限元軟件對此主梁進行分析及處理。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，對于厚長比 大于1/30的鋼板或長構(gòu)件選擇對應(yīng)的殼單元或梁單 元，其他結(jié)構(gòu)件選擇實體單元，由于主梁金屬結(jié)構(gòu) 較為復(fù)雜，同時含有殼、梁及實體單元，所以主梁 整體采用混合網(wǎng)格劃分。在進行網(wǎng)格劃分的時候， 對應(yīng)力集中部位(如彎角、拐角等過渡區(qū)域)做特別處 理，細化網(wǎng)格；因為模型的整體尺寸較大，劃分的 網(wǎng)格則較多，所以對應(yīng)力變化不大且對計算結(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)點數(shù)為70031個，網(wǎng)格單 元總數(shù)為34518個，如圖2所示。

起重機在不同的工況下，主梁受力是不同的。 通過對比不同的工況可知，當小車處于起重機最南 端滿載運行時工況最為惡劣。選此工況進行有限元 模擬分析，計算結(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，此起重機箱型主梁鋼板材質(zhì)為 Q235B，理論屈服強度為235 MPa，雖未超過鋼板理 論屈服極限，但也相對較為接近。經(jīng)過查詢相關(guān)文 獻資料可知，通常Q235B鋼板設(shè)計上的許用應(yīng)力為 168 MPa[2]?？梢?，在最為惡劣的工況下，實際應(yīng)力 值是大于設(shè)計安全應(yīng)力值的。而當材料長期處于大 應(yīng)力狀態(tài)時，會造成材料長期變形而不能恢復(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。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主梁腹板裂 紋就具有這一特點。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題。

裂紋修復(fù)處理

當裂紋發(fā)生后，在維修人員的實際工作中，通 常采用鉆孔止裂法、裂紋焊合法、鋼板補強法、人工 楔塊法等一種或幾種的組合來對裂紋進行修復(fù)[3]。結(jié) 合此臺起重機箱梁的裂紋情況，為達到消除應(yīng)力集 中及減小應(yīng)力水平的目的，經(jīng)過比較，選擇鋼板補 強法，即在開裂板材的應(yīng)力集中部位內(nèi)外對稱焊接 補強鋼板，這樣就使部分載荷產(chǎn)生的應(yīng)力通過補強 板進行傳遞，大幅的減輕了原始鋼板的應(yīng)力水平， 減小裂紋擴展的驅(qū)動力，從而使裂紋不再擴展，達 到止裂的目的。

先對裂紋處打磨補焊。根據(jù)開裂部位尺寸及應(yīng) 力集中區(qū)域面積制作補強鋼板。應(yīng)力集中區(qū)域面積 可依據(jù)圖3應(yīng)力云圖紅色部位計算求得。補強板板厚 取8 mm(不能超過母板厚度)，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)外對稱設(shè)置，焊 時采用對稱焊，以分散應(yīng)力，減小裂紋傾向。修復(fù) 完成后外側(cè)焊接補強鋼板形式如圖4所示(內(nèi)側(cè)補強 鋼板對稱設(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 修復(fù)后的箱型主梁重新建模，將補強板加入到原有的主梁模型中，修正有改動的部分模型，然后對新 模型再次進行有限元應(yīng)力分析。應(yīng)力分析依然選取 最惡劣的工況，通過對修正模型進行應(yīng)力計算，得 到修復(fù)后箱型主梁腹板彎角應(yīng)力云圖(圖5)。從對修 復(fù)主梁靜強度應(yīng)力分析計算結(jié)果可知，經(jīng)過鋼板補強 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，已遠小于許用應(yīng)力。由 此說明修復(fù)方案對改善危險部位的應(yīng)力狀況效果顯 著，從根本上消除了裂紋繼續(xù)擴展的可能性。

結(jié)束語

通過對起重機箱型主梁受力狀況進行有限元分 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 修復(fù)方案進行論證，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 主梁的整體強度，使起重機裂紋延伸現(xiàn)象得到有效 控制。應(yīng)用此法修復(fù)的起重機至今運行良好。

參考文獻

[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．斷裂力學(xué)．北京：科學(xué)出版社，2006

[3] 張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等. 起重機設(shè)計手冊. 北京：中國鐵道 出版社，1998

文章來源——金屬世界