□ 陳建春

南通中遠(yuǎn)重工有限公司 江蘇南通 226116

1 研究背景

起重機(jī)械是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的搬運(yùn)吊裝設(shè)備,在采礦冶金、機(jī)械制造、汽車船舶、航空航天等領(lǐng)域有極其廣泛的應(yīng)用。不同工況下，起重機(jī)主梁具有不同的拱度，包括合龍后的預(yù)制拱度、只承受自重時(shí)的成型拱度、其它工況下的剩余拱度。為保證起重機(jī)具備良好的定位精度和使用性能,國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)起重機(jī)主梁剛度和成型拱度都有明確規(guī)定。主梁成型拱度過小,在集中載荷作用下，主梁跨中會(huì)下?lián)?，產(chǎn)生彈性變形；小車向跨中運(yùn)行時(shí)存在下滑現(xiàn)象,向兩端運(yùn)行時(shí)存在爬坡現(xiàn)象。主梁成型拱度過大,小車運(yùn)行過程中同樣存在爬坡或下滑現(xiàn)象,都不滿足起重機(jī)的節(jié)能和安全要求。

為保證主梁安裝后滿足規(guī)定的成型拱度要求,制造起重機(jī)主梁時(shí)，均需設(shè)置一定的預(yù)制拱度。對(duì)于跨距較小的起重機(jī),在主梁腹板下料時(shí)就預(yù)先給定上拱度。對(duì)于跨距較大的起重機(jī),主梁分段制作完成后，在預(yù)定拱度的合龍?zhí)ゼ苌线M(jìn)行合龍。筆者應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)某600 t大型門式起重機(jī)進(jìn)行建模、計(jì)算,并結(jié)合安裝、運(yùn)行過程中的實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,為大型起重機(jī)主梁預(yù)制拱度設(shè)置和剩余拱度監(jiān)測提供參考。

2 主梁預(yù)制拱度計(jì)算

GB/T 14406—1993《通用門式起重機(jī)》對(duì)門式起重機(jī)主梁預(yù)制拱度有如下規(guī)定:主梁應(yīng)有上拱,跨中上拱度應(yīng)為0.9‰～1.4‰跨距,且最大拱度應(yīng)控制在跨中1/10跨距的范圍內(nèi)。GB/T 14406—2011《通用門式起重機(jī)》中沒有明確主梁組裝后上拱度的具體驗(yàn)收要求,只提出了靜載試驗(yàn)后上拱度不小于0.7‰跨距的要求,因此目前實(shí)際制作時(shí)仍參照GB/T 14406—1993進(jìn)行預(yù)設(shè)。在不影響小車運(yùn)行的前提下，盡可能向上限選取,從而保證主梁有足夠儲(chǔ)備的剩余拱度?，F(xiàn)有研究表明，決定主梁預(yù)制拱度fyz的主要因素有主梁成型拱度、主梁自重引起的下?lián)隙?、主梁焊接等引起的變形，可表示?

fyz=fcx+fzz+fhj

(1)

式中：fcx為主梁組裝焊接后的成型拱度;fzz為主梁自重引起的下?lián)隙?fhj由為主梁焊接等因素引起的垂直彎曲變形。

主梁拱度變化情況如圖1所示。

▲圖1 主梁拱度變化情況

3 有限元計(jì)算

3.1 有限元模型建立

起重機(jī)額定起重質(zhì)量為600 t,跨距為175 m,起升高度為85 m,工作級(jí)別為A5。主梁為箱型雙梁結(jié)構(gòu),高度為10.7 m。上小車質(zhì)量為270 t，下小車質(zhì)量為130 t。應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)起重機(jī)三大件組裝后的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,小車自重以分布在一定區(qū)域內(nèi)的集中載荷施加于主梁上。材料選用Q390B鋼,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3。除柔性腿底部結(jié)構(gòu)處細(xì)劃網(wǎng)格外,其余結(jié)構(gòu)均采用默認(rèn)方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,生成節(jié)點(diǎn)839 087個(gè)、單元912 044個(gè)。

3.2 約束與載荷施加

按照起重機(jī)實(shí)際約束情況,主梁與剛性腿頂部剛性連接,與柔性腿頂部鉸性連接，可繞鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)。剛性腿底部采用固定約束,柔性腿底部一側(cè)鉸點(diǎn)約束X、Y、Z方向位移,另一側(cè)鉸點(diǎn)約束X、Z方向位移。主梁自重施加載荷,小車自重和吊重根據(jù)小車所處位置，以集中載荷方式施加在一定區(qū)域內(nèi)。施加載荷和約束后的起重機(jī)有限元模型如圖2所示。為方便計(jì)算，不考慮溫度的影響。

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果

在主梁僅受自重、小車空載位于主梁跨中位置、小車額定載重位于主梁跨中位置三種工況下進(jìn)行主梁撓度計(jì)算,計(jì)算結(jié)果依次如圖3、圖4、圖5所示。在主梁僅受自重載荷下,主梁的最大撓度為345 mm。小車空載位于主梁跨中位置時(shí),主梁的最大撓度為424 mm。小車額定載重位于主梁跨中位置時(shí),主梁的最大撓度為544 mm。

3.4 主梁剩余拱度計(jì)算

主梁的剩余拱度fsy通過不同工況下主梁撓度計(jì)算值與預(yù)制拱度、釋放變形之差間接計(jì)算得到,即:

▲圖2 起重機(jī)有限元模型▲圖3 主梁僅受自重時(shí)撓度計(jì)算結(jié)果▲圖4 小車空載位于主梁跨中時(shí)撓度計(jì)算結(jié)果

▲圖5 小車額定載重位于主梁跨中時(shí)撓度計(jì)算結(jié)果

fsy=fyz-fsf-fnd

(2)

式中：fsf為釋放的變形;fnd為主梁當(dāng)前工況的撓度。

4 主梁剩余拱度監(jiān)測

4.1 主梁預(yù)制拱度確定

按照上述分析,起重機(jī)跨距為175 m,主梁成型拱度范圍為157.5～245 mm,按1.3‰跨距，即約230 mm選取，焊接變形預(yù)估為125 mm，那么主梁預(yù)制拱度fyz為:

fyz=fcx+fzz+fhj=230+345+125=700 mm

4.2 提升過程主梁拱度監(jiān)測

主梁在胎架上組裝合龍后,解除限位,即在主梁自由狀態(tài)下對(duì)焊接后的實(shí)際拱度進(jìn)行測量,驗(yàn)證因焊接和制造工藝等因素造成的主梁變形是否在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)。如果剩余拱度偏離目標(biāo)范圍,那么可以通過火工等方法進(jìn)行校正。

為了全面檢查各受力部位和主梁整體安全性能,在主梁正式提升前一般先提升至距組裝胎架200 mm的高度,靜置8～12 h，或者向上提升后再放下，反復(fù)兩三次。這一過程稱為預(yù)提升。

主梁正式提升至一定高度時(shí),需要將剛性腿、柔性腿A字頭安裝到位。繼續(xù)提升時(shí),剛性腿逐步滑移，直至完全直立。完成剛性腿、柔性腿等各部件的安裝檢測等工作之后,卸載提升載荷,主梁由剛性腿、柔性腿支撐。此時(shí)主梁的剩余拱度主要由主梁和小車自重產(chǎn)生的撓度決定,同時(shí)也會(huì)釋放一定的焊接變形。

筆者選取主梁預(yù)提升和提升載荷卸載后兩個(gè)工況下的主梁剩余拱度進(jìn)行計(jì)算和測量,提升過程主梁剩余拱度監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 提升過程主梁剩余拱度監(jiān)測數(shù)據(jù)

由于施工工藝和焊接影響，主梁合龍后在胎架上的實(shí)際預(yù)制拱度達(dá)到719 mm。主梁預(yù)提升階段,主梁剩余拱度測量值為515.5 mm,較預(yù)制拱度減小了203.5 mm,較剩余拱度計(jì)算值小了13.5 mm,因而可知主梁釋放了焊接變形13.5 mm。當(dāng)主梁提升載荷卸載后，由剛性腿、柔性腿支撐,測得主梁剩余拱度為328 mm，與計(jì)算值321 mm相比基本一致。

4.3 吊重試驗(yàn)主梁拱度監(jiān)測

提升塔架拆除后,進(jìn)行吊重試驗(yàn)。小車在主梁上運(yùn)行若干次,進(jìn)一步釋放起重機(jī)相關(guān)部位的焊接變形。筆者選取小車空載、上下小車聯(lián)合抬吊額定載荷與1.25倍載荷、上小車單獨(dú)起吊額定載荷，以及小車空載位于不同位置等工況下的主梁剩余拱度進(jìn)行計(jì)算和測量,吊重試驗(yàn)主梁剩余拱度監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 吊重試驗(yàn)主梁剩余拱度監(jiān)測數(shù)據(jù)

經(jīng)過多次運(yùn)行和試吊,起重機(jī)主梁及其它部位相關(guān)焊接變形得到進(jìn)一步釋放,在吊重試驗(yàn)后趨于穩(wěn)定。由表2可知,主梁只承載自重載荷時(shí),其剩余拱度，即成型拱度取平均值345 mm。主梁自重產(chǎn)生的撓度為345 mm,從而可以得到主梁釋放的焊接變形為29 mm。

通過式(2)，可以計(jì)算得到其它工況下主梁的剩余拱度。表2中前四種工況數(shù)據(jù)顯示，主梁剩余拱度計(jì)算值與測量值基本一致，證明計(jì)算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度，可用于其它工況下主梁剩余拱度的預(yù)測和異常分析。

吊重試驗(yàn)后主梁的成型拱度為341.5 mm,滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求,并且上拱最高點(diǎn)位于跨中1/10跨距范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)某600 t大型門式起重機(jī)不同工況下的主梁撓度進(jìn)行計(jì)算,對(duì)起重機(jī)合龍后的主梁預(yù)制拱度,以及安裝和試運(yùn)行過程中主梁剩余拱度的實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,確認(rèn)主梁合龍后測得的主梁預(yù)制拱度中包含一定的焊接變形,在其提升、試運(yùn)行過程中逐步釋放,一般在吊重試驗(yàn)后基本釋放完畢。釋放的焊接變形可以通過實(shí)際預(yù)制拱度與主梁成型拱度、主梁自重產(chǎn)生的撓度之差計(jì)算得到?？紤]釋放的焊接變形,可以得到更加準(zhǔn)確的主梁剩余拱度計(jì)算值。筆者的研究結(jié)果為后續(xù)起重機(jī)主梁預(yù)制拱度的合理設(shè)置和焊接變形的控制提供了參考。